Ринок надпровідникового електротехнічного обладнання за прогнозом світового банку
Спонукою до оприлюднення цього епізоду послужили два визначні ювілеї: 350-річчя Львівського університету і 100-річчя відкриття явища надпровідності.
А було це так. Після епохального відкриття 1911 року явища надпровідності (Г. Камерлінґ-Оннес, Нідерланди, Лейденський університет) експериментатори настирно прагнули “підвищити” критичну температуру Тк, тобто виявити такі матеріали (метали, сплави), у яких температура переходу у надпровідний стан була ще вищою.
Такого роду проекти (а це і теоретично обгрунтований прогноз, і технологічні пошуки, і експериментальні дослідження) завжди були пріоритетними, оскільки надпровідна електротехніка і електроніка є базою нової технічної революції.
Пошуки речовин із все вищою Тк велися наполегливо у багатьох лабораторіях світу. Час від часу з’являлися сенсаційні повідомлення про синтез матеріалів зі значно вищими Тк, але ці повідомлення були хибними. Вони не знаходили незалежних підтверджень. Опис цих “сенсацій” міг би стати предметом окремої повчальної розповіді. “Хибні відкриття” – то цікава сторінка в історії науки, а надпровідність – галузь фізики, що особливо багата на подібні приклади.
Були й інші курйози, і про один із них – наша розповідь.
Основна мотивація зусиль теоретиків і експериментаторів, технологів та інженерів-винахідників за століття, що минуло після 1911 р., врешті-решт зводилася до отримання надпровідних матеріалів зі все вищими критичними температурами, можливо, навіть Тк = Ткімн.
Як видно з таблички, за 62 роки Тк “зросло” менш, ніж на 20 К.
Хронологія відкриття надпровідників з підвищеними Тк
|
Матеріал |
Тк, К |
Рік виявлення надпровідності |
|
?-Hg |
4,15 |
1911 |
|
Pb |
7,23 |
1913 |
|
Nb |
9,25 |
1930 |
|
Nb3Sn |
18,1 |
1954 |
|
Nb3Ga |
20,0 |
1971 |
|
Nb3Ge |
23,2 |
1973 |
Такі надпровідники мають одну суттєву хибу: низькі критичні температури, коли єдиним кріоагентом є зріджений гелій ( т. зв. “гелієва зона”). Але зріджений гелій навіть сьогодні важкодоступний для широкого використання. Він вимагає особливих умов зберігання, спеціального обладнання. Все це обходиться недешево. Інша річ – зріджений азот чи зріджене повітря, які в сотні разів дешевші від гелію. Ну, а при Тк ~ Ткімн. взагалі не було б проблем – охолоджувачем використовувалася б звичайнісінька вода.
Так зародилася мрія фізиків про високотемпературні надпровідники. Пошуки тривали три чверті століття…
Про актуальність вивчення надпровідників і зростаючу зацікавленість світової спільноти у розвитку надпровідникового матеріалознавства свідчить зростання асигнувань технічно розвинутих країн на цю проблематику (див.рис. 1)
Щодо надпровідної електротехніки, то вкажемо тут лише на два прикладних напрями. Перш за все, це використання надпровідників для передачі електроенергії без втрат. Це ж революція в електротехніці! Бо, як відомо, у звичайних високовольтних лініях електропередач втрати на джоулеве тепло I2Rt оцінюються не менш, ніж 10% передаваної енергії.
Інший важливий напрям – надпровідні електромагніти. Вони мають дві переваги:
– можливість створювати дуже сильні магнітні поля;
– малі енергозатрати.
Без таких магнітів не працювали б інженерно-технічні шедеври ХХ-ХХІ ст. – установки керованого термоядерного синтезу “Токамак”, ЯМР-томографи, МГД-перетворювачі теплової енергії в електричну, потяги, що рухаються без тертя на магнітних підвісках понад рейками, прискорювачі частинок нових поколінь для досліджень з ядерної фізики та фізики елементарних частинок.
Минав час, а рубіж 1973 року (Тк = 23,2 К) перевершити не вдавалося…
Застосуємо тепер спосіб інверсії в часі або композиційне суміщення певних часових періодів, як це часто роблять письменники-романісти. При ретроспективному погляді це цілком можливо. У романі Оксани Забужко “Музей покинутих секретів” щодо цього є вельми цікаве розмірковування: “От цікаво, ну звідки, спитати б, у нас оця невиправна зверхність у стосунку до минулого, оце переконання, буцім ми, сьогоднішні, рішуче й категорично мудріші за них, тодішніх, – на тій єдиній підставі, що нам відкрите їхнє майбутнє: що ми знаємо, чим вони всі скінчать?..”
Отже, подаю сюжет в інвертованому часі.
У 1960-1970-их роках у Львівському університеті на кафедрі неорганічної хімії проводилися широким фронтом дослідження перспективних (звідси й фінансування як за бюджетними, так і за госпдоговірними проектами) неорганічних матеріалів класу боратів. Синтезувалися нові матеріали (кристали, порошки, кераміка), вивчалися їхня структура, фазові діаграми, механічні, магнітні та інші властивості. Дружно працювали хіміки, технологи, фізики. Близько сотні публікацій, десятки патентів. Вперше були відкриті й ідентифіковані десятки нових структурних типів, що було визнано на міжнародному рівні.
Головною фігурою у циклі вказаних досліджень був талановитий і невтомний науковець Юрій Кузьма, за підтримки старших колег Є.І. Гладишевського, П.І. Крип’якевича, Є.Є. Черкашина. Активними учасниками були Н. Білоніжко, С. Сваричевська, Н. Чабан, Р. Сколоздра, Я. Ярмолюк, В. Лах, Б. Стадник, В. Телегус, М. Чепіга, Ю. Ворошилов, Д. Ковалик, В. Марків, О. Нич, В. Фоменко, М. Марко, Т. Пайташ, В. Коваль, П. Стародуб, С. Михаленко, О. Рудакевич, М. Фуртак та ін.
У 1973 р. Юрій Кузьма захистив докторську дисертацію на тему “Дослідження з кристалохімії боратів”, 1983 р. видав монографію “Кристалохімія боратів”.
Серед досліджуваних бінарних, потрійних і чотириелементних боратних систем була сполука MgB2. І тепер ми, будучи “мудрішими” у сенсі О. Забужко, кажемо:
– Шановний п. Юрію, спробуйте охолодити зразок MgB2 і поміряти електроопір за низьких температур…
І що ж? Ми ж тепер знаємо: при Т = 39,5 К електроопір зразка MgB2 зникає! Критична температура майже вдвічі більша від попереднього рекорду, що його так довго не вдавалося здолати.
…Фантастичні думи, фантастичні мрії…
Описаний епізод міг відбутися, та, на жаль, його не було.
Є англійська приказка: “Пізно шкодувати, коли нагода минула”…
А як було у реальності?
Справжню сенсацію принесла весна 1986 р. На щасливу стезю вдалося вийти науковцям Цюріхської (Швейцарія) філії американської транснаціональної корпорації ІВМ. Там, у містечку Рюшліконі, що неподалік Цюриха, на початку 1960-х років з ініціативи швейцарського фізика, професора Цюрихського університету Карла Алекса Мюллера була створена комплексна експериментально-дослідна лабораторія фірми ІВМ. Велися дослідження пошукового та розвідувального характеру, як мовиться, з поглядом у перспективу.
У 1982 р., після здобуття докторського ступеня у царині низькотемпературної кристалографії, з фірмою ІВМ уклав контракт і розпочав працю у лабораторії у Рюшліконі здібний дослідник з Німеччини Йоганнес Ґеорґ Беднорц, випускник Мюнстерського університету.
З осені 1983 р. К.А.Мюллер та Й.Ґ.Беднорц розпочали цілеспрямовані пошуки способів підвищення Тк.
Ці пошуки завершилися тим, що охолоджуючи керамічні зразки оксиду міді, барію і лантану (La2-xBaxCuO3+?) Беднорц і Мюллер зауважили, що при x ? 0,2 електричний опір зразка при температурі близько 20 К стрімко спадає до нуля. Відтак, після зміни концентрації барію, при x ? 0,15 вдалося спостерігати початок стрімкого спаду опору вже при температурі близько 34 К.
Рекорд (Тк = 22,3 К), що утримався 13 років, було перевершено відразу на 10 К! Звичайно, це була наукова сенсація. І не дивно, що вже наступного року автори цього відкриття були удостоєні Нобелівської премії.
У чому ж повчальність описаного епізоду? Відповідь: у необхідності співпраці, ширшого погляду на предмет досліджень, ширшої наукової комунікабельності. Це той випадок, коли підказка потрібної ідеї (“спробуйте поміряти електроопір за низьких температур”) – неоціненна.
Розмови про “втрачені можливості” ми нині часто чуємо серед політологів. Я розповів про подібний епізод у науці. Нехай він буде уроком й водночас доброю згадкою про високий рівень природничо-наукових досліджень у Львівському університеті.
Ярослав Довгий,
заслужений професор
Львівського національного університету імені Івана Франка,
дійсний член НТШ