Анатолий Томилин - Заклятие Фавна
Можно привести еще массу причин, заставлявших ученых заниматься получением все более и более низких температур. Достаточно сказать, что холод вообще чрезвычайно широко распространен в природе. И окружающий нас космос — это не что иное, как гигантский холодильник. А узнать, как ведет себя вещество в условиях космического и более чем космического холода, разве не интересно?
Таким образом, мы вполне можем считать, что у нидерландского физика Хейке Камерлинг-Оннеса оснований добиваться получения жидкого гелия было более чем достаточно. Надо добавить, что процедура получения жидких газов — дело довольно кропотливое и утомительное. Но Камерлинг-Оннес человек упрямый, и в результате затраченных усилий в 1908 году он первым наблюдал светлую, подвижную, чуть голубоватую жидкость, в которую после многоступенчатого охлаждения превратился гелий. Температура его кипения оказалась всего 4, 2 К. По более привычной широкому читателю шкале Цельсия это будет минус 268, 8° С.
Цель следующего опыта — измерение сопротивления какого-нибудь металла при достигнутой температуре. По идее по мере охлаждения сопротивление должно расти. Физики последовательно охлаждали металлы в жидком азоте до 63 К, потом до 20, 5 К в кипящем водороде. Умудрились охладить еще сильнее, а сопротивление образцов все никак не начинало расти. Более того, с понижением температуры оно постепенно уменьшалось.
Камерлинг-Оннес решил взять в качестве образца чистого металла ртуть. Почему именно? Видите ли, в начале века, а дело происходило в 1911 году, получать сверхчистые металлы еще не очень-то умели. Это сейчас вы можете заказать, скажем, металлургам металл с примесью не более одного атома на миллион… А тогда ртуть, пожалуй, единственная достаточно просто освобождалась "от добавок дистилляционной перегонкой и могла считаться чистой. Конечно, экспериментировать с нею нелегко. При комнатной температуре из жидкой ртути проволочку не сделаешь…
Камерлинг-Оннес налил ртуть в V-образные тру-бочки, соединил их сверху рогульками, тоже заполненными ртутью, и стал охлаждать. Вот металл замерз, и можно было начинать опыт.
Первую точку на графике он поставил при температуре жидкого воздуха. Вторую — при температуре жидкого водорода. Пока все шло как обычно, сопротивление замерзшей ртути постепенно, с падением температуры, уменьшалось. Когда же оно начнет повышаться? Может быть, жидкий гелий внесет какие-нибудь изменения? Ученый отправил образец в легкую голубовато-прозрачную жидкость и… Дальше произошло то, чего никто не ожидал и не предсказывал: сопротивление ртутного образца вдруг исчезло! Да, да, при температуре 4, 15 К оно стремительно упало до нуля. Камерлинг-Оннес обнаружил новое, не виданное и никем из его коллег до того не представляемое явление — сверхпроводимость.
Открыл и стал знаменит! Как просто, правда? Просто, когда вся работа остается за результатом, когда на поверхности — одно открытие и награда.
Сверхпроводимость оказалась самым загадочным явлением в физике XX века. Пятьдесят лет оставалась она необъясненной. За это время в науке произошли огромные перемены: появились квантовая механика и ядерная физика, ученые открыли нейтрон, анти — и другие частицы, была создана теория относительности, обнаружено красное смещение и разбегание галактик, осуществлены ядерная и термоядерная реакция, запущены искусственные спутники Земли. Люди поняли и сумели объяснить тысячи непонятных до того явлений в самых различных областях науки, а сверхпроводи^ мость все еще продолжала оставаться загадкой. А уж ее ли не пытались разгадать!..
Прежде всего следовало выяснить, только ли ртути присуще явление сверхпроводимости, или другие чистые металлы тоже им обладают? Камерлинг-Оннес испытал свинец и выяснил, что он тоже сверхпроводник. Потом список сверхпроводников сильно расширился, и исследователи перешли к сплавам и соединениям. Тут их ждали еще большие неожиданности. Возьмите, к примеру, ниобий. У этого металла сверхпроводимость начинается при охлаждении примерно до 9 К. А у соединения ниобия с азотом, материала куда хуже проводящего электрический ток, чем чистый металл, явление сверхпроводимости начинается гораздо раньше — примерно с 15 К.
Сегодня механизм сверхпроводимости тоже еще не до конца ясен. Во всяком случае, его изучение и в физике, и в технике занимает весьма видное место. Техническое применение явления сулит невероятные блага, но нужно найти сверхпроводники, существующие при нормальных температурах.
В 1973 году было обнаружено, что соединение ниобия с германием имеет критическую температуру, равную примерно 23 К. При этом соединение переходит в состояние сверхпроводника. Это весьма воодушевило исследователей. К сожалению, с тех пор сверхпроводники с более высокими значениями критической температуры получены больше не были. Вроде бы теория никаких принципиальных возражений против существования сверхпроводников и при обычной комнатной температуре не высказывает, а получить их не могут. Правда, некоторые видные физики-теоретики оптимистично предсказывают, что уж к 2001 году высокотемпературные сверхпроводники непременно будут созданы[33].
Пока теоретики заняты прогнозами, инженеры пытаются приспособить уже имеющиеся материалы для прикладных целей. Так, еще несколько десятилетий назад возникла мысль о создании электрического генератора со сверхпроводящими обмотками: что из того, что нет пока высокотемпературных сверхпроводников? Нужно строить генераторы с охлаждением. Действительно, если охладить обмотки, выполненные из «обычного» сверхпроводящего материала, жидким гелием, то они должны потерять сопротивление. А это означает повышение мощности. Криогенный генератор той же мощности, что и обычный, можно будет существенно уменьшить в размерах. Значит, предел, почти достигнутый сегодня для обычних генераторов по мощности отодвинется. Коэффициент полезного действия такой машины возрастет, и стоимость вырабатываемой электроэнергии уменьшится. Расчеты показывают, что крио-генераторы позволят поднять предел мощности для единичной машины почти вдвое.
Эксперименты в области применения сверхнизких температур во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромашиностроения начались еще в 1962 году. Сначала был построен двигатель постоянного тока мощностью всего 3 кВт. Потом — модельный криотурбогенератор на 18 кВт. В конце 70-х годов на испытательный стенд встал экспериментальный криотурбогенератор мощностью 1200 кВт с самым большим в мире вращающимся криостатом. А в начале 1983 года специалисты института готовили под промышленную нагрузку криогенный генератор мощностью 20 тысяч кВт. Это была самая крупная машина среди аналогичных генераторов. Руководил коллективом академик И.А. Глебов.
Несмотря на то что принцип получения электрической энергии со времен Фарадея остался неизменным, современный генератор — это довольно сложная машина. Но криогенный генератор — сложен вдвойне. Голубой цилиндр соединен трубопроводами, шлангами и проводами со вспомогательной аппаратурой. Стоит на испытательном стенде ВНИИэлектромаша. Что в нем особенного, необычного? Прежде всего, ротор криогенного генератора по конструкции напоминает скорее стальной сосуд-криостат. В него непрерывно на ходу подается жидкий гелий. Медные шины обмотки пронизывают тысячи тончайших нитей-проводников из сверхпроводящего сплава. Они-то и обеспечивают основные преимущества новой машины. Вакуумные камеры-изоляторы сохраняют холод в генераторе. Испаряясь, гелий поступает в компрессор. Снова сжижается и возвращается в машину по замкнутому циклу. Обмотки статора охлаждаются жидким фреоном. Эта жидкость нам известна по бытовым холодильникам. Фреон одновременно выполняет и роль изолятора.
Обращает внимание то, что вокруг генератора много вспомогательной аппаратуры: тут резервуары с гелием и вакуумные насосы, компрессор и теплообменный агрегат — охладитель фреона… Неудивительно, что над созданием этой уникальной машины трудились коллективы не одного производственного объединения. Вместе с «Электросилой», Ижорским заводом и заводом «Красный выборжец» в создании всего комплекса криогенератора принимали участие московское научно-производственное объединение «Гелиймаш», ВНИИхолодмаш и другие организации[34].
Очень сложна новая современная техника. Порою закрадывается сомнение: а не понижается ли со сложностью конструкции и надежность? Специалисты уверяют: нет! Не снижается! Потому что одновременно растет совершенство технологии изготовления, улучшаются материалы, повышается качество. Конечно, сложность не украшение. Но за получаемый выигрыш по мощности приходится чем-то расплачиваться. И чаще всего эта плата выражается в усложнении либо технологии производства, либо конструкции. Но люди быстро привыкают к новому. Даже чудо, повторенное дважды, перестает быть чудом.
