Сверхпроводящие материалы обладают нулевым электрическим сопротивлением, ток через них проходит без потерь. Считалось, что добиться такого нулевого сопротивления у материала можно лишь в условиях экстремального холода, к примеру, при температуре жидкого гелия (-269 °C). Однако в 1980-х гг. были открыты сверхпроводники, получившие название высокотемпературных (High-temperature superconductors или ВТСП). Они обретали нужные свойства при температуре выше, чем у жидкого гелия.
К примеру, выяснилось, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода испытывают скачок сопротивления практически до нуля при температуре -235 °C, а оксид иттрия, бария и меди при -180 °C. В XXI веке было открыто еще несколько высокотемпературных сверхпроводников и сегодня ученые ищут материал, обладающий сверхпроводимостью уже не при минусовой, а при комнатной температуре. Для таких сверхпроводников не нужно охлаждение, они смогут передавать электричество без потерь на огромные расстояния, значительно увеличивая эффективность электросетей. Также они смогут стать основой для создания новых высокоэффективных магнитных систем для медицинских устройств, таких как МРТ. Кроме того, сверхпроводимость при комнатной температуре открывает путь к разработке сверхмощных и компактных энергосистем для будущих поколений вычислительной техники.
— Возможно ли создание материала, обладающего сверхпроводимостью при обычной комнатной температуре?
— Достижения сверхпроводимости при высоких температурах ожидать нужно, но надеяться на скорейшее ее применение в промышленности не приходится. Как правило, требуются многие годы для создания технологий, позволяющих эффективно использовать новые материалы.
— В прошлом году вы разработали технологию создания магнитов из высокотемпературного сверхпроводника для ускорителей заряженных частиц и накопителей энергии. Что дает эта технология?
— Мы разработали уникальную конструкцию энергокабеля, которая позволяет делать обмотки магнитов сложной формы. Представьте себе обмотку с радиусом изгиба от 40 мм, по которой может течь ток в десятки тысяч ампер! Это как если бы вы могли сгибать спагетти, не ломая их, и при этом через них проходило бы столько электричества, сколько необходимо для освещения целого города. Несколько десятков лент высокотемпературных сверхпроводников спирально наматываются на охлаждающую трубку и получается энергокабель с высокой токонесущей способностью.
Мы также разработали оригинальную машину для изготовления этих кабелей, и целую фабрику для криогенных испытаний наших магнитов. Поверьте, это новый уровень в производстве магнитов для ускорителей и накопителей энергии (аккумуляторов).
Благодаря всем этим инновациям мы сможем сократить затраты на электроэнергию для работы с магнитными системами в 10 и более раз.
— Где еще, помимо накопителей и ускорителей, возможно применение этой технологии?
— Мощный накопитель энергии на основе ВТСП-магнита найдет себя не только в физике высоких энергий, но и в современных и будущих транспортных средствах, и в других областях. Мне неизвестны аналоги подобного технического решения для магнитов ускорителей и накопителей энергии в других странах.
— Нуклотрон, установка класса «мегасайенс», основа которой — миниатюрные сверхпроводящие магниты. Этой установке уже более 30 лет, будет ли она модернизироваться с использованием технологии ВСТП?
— Нуклотрон — это первый ускоритель, предназначенный для исследования релятивистской ядерной физики, нового направления в физике высоких энергий, предложенного в начале 1970-х гг. академиком Балдиным, директором ЛВЭ ОИЯИ. Нуклотрон стал ключом к пониманию того, как ведут себя ядра атомов при скоростях, близких к скорости света. За прошедшие десятилетия мы собрали огромный массив данных о том, как взаимодействуют ядра на невероятных скоростях. Сейчас появилась новая мегасайенс-установка NICA (Nuclotron based Ion Collider fAsility) — ионный коллайдер на базе Нуклотрона. Чтобы Нуклотрон остался в этой научной гонке, мы планируем его модернизацию. Его магниты, которые верой и правдой служили нам более 30 лет, требуют замены, и мы собираемся поменять их на магниты из высокотемпературного сверхпроводника. Эта задача и вызвала необходимость разработки новых технологий для создания ВТСП-магнитов. Кстати, ВТСП-магниты для ускорителей планируется использовать и в будущих циклотронах для терапии онкологических заболеваний.
— Каких результатов ждут от установки NICA?
— Работа над NICA на стадии завершения. В конце 2024 г. планируется технологический запуск коллайдера, а в 2025 г. — первые эксперименты на встречных пучках тяжелых ионов с целью изучения барионной материи — особого состояния вещества, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого Взрыва.
— В 1999 году по инициативе Научного центра по исследованиям тяжелых ионов (GSI, Дармштадт, Германия) начались совместные работы по созданию на основе магнита Нуклотрона сверхпроводящего магнита для ускорителя SIS100. Сейчас сотрудничество с иностранными исследовательскими группами по ряду направлений переживает не лучшие времена. Продолжается ли у вас международное научное взаимодействие?
— В марте 2022 г. по инициативе немецкой стороны были заморожены работы по контрактам на изготовление и криогенные испытания в ОИЯИ около 340 сверхпроводящих магнитов для ускорителя SIS100 в Дармштадте. Эти магниты изготавливаются по технологии Нуклотрона, созданной в ЛФВЭ ОИЯИ. Ускоритель SIS100 является основной машиной международного проекта FAIR и имеет первостепенное значение для проекта. В конце 2023 г. руководство GSI и FAIR обратилось к ОИЯИ с просьбой возобновить работы по контрактам на магниты. С февраля этого года работы по изготовлению и испытанию магнитов для SIS100 в ОИЯИ были возобновлены.
— Какие в целом научно-технологические инновации нас ждут?
— В 2025 г. наш фокус сместится на здоровье людей. Планируем запустить в эксплуатацию сверхпроводящий протонный циклотрон для терапии онкологических заболеваний МСЦ-230. Это будет прорыв в лечении раковых заболеваний, благодаря точности и эффективности этой технологии. Мы сможем бороться с раком более мягко и целенаправленно, минимизируя побочные эффекты.
И в 2026 г. мы сделаем еще один большой шаг вперед — запустим в серийное производство магниты из высокотемпературного сверхпроводника для синхротрона Новый Нуклотрон. Это будет означать большой скачок в развитии научных исследований и экспериментов, открытие новых горизонтов в понимании физики частиц и материи.
Каждый из этих проектов не просто технологический вызов, но и шаг к новым открытиям, которые могут коренным образом изменить наше понимание мира и улучшить жизнь людей.
