Superconduttività nel settore dell'energia elettrica: presente e futuro

Il modello generale del nostro tempo è la riduzione del divario tra una particolare scoperta e la sua attuazione. Una volta che questo intervallo ha raggiunto centinaia di anni, ora è diminuito al minimo. Ad esempio, l'introduzione della fotografia è trascorsa 112 anni dalla sua apertura. I fertilizzanti minerali hanno iniziato a essere utilizzati 70 anni dopo la loro creazione, le comunicazioni telefoniche - dopo 50 anni, le trasmissioni - dopo 35, la radiolocalizzazione dopo 15, la televisione - dopo 12, la bomba atomica - dopo 6 anni, un transistor - dopo 3 e un laser - dopo solo 2 anno.

L'inizio dell'uso tecnico dei superconduttori risale al 1955, quando il primo elettromagnete fu creato con il loro aiuto. Sono passati 56 anni dalla scoperta della superconduttività alla sua introduzione. Qual è il problema?

Secondo alcuni fisici britannici, questo ritardo è dovuto a due ragioni: lo sviluppo insufficiente della tecnologia criogenica e la scoperta di soli superconduttori morbidi e puri. I materiali duri con parametri tecnicamente accettabili sono diventati noti solo nel 1930, e solo un quarto di secolo dopo, sono stati effettivamente creati conduttori da tali materiali. E immediatamente un solenoide con un avvolgimento superconduttore è stato costruito e testato con successo. È nata la superconduttività tecnica.

Pertanto, l'invenzione e l'inizio dell'uso di materiali superconduttori tecnicamente adatti coincisero nel tempo (1955). Ma la vera invenzione dei superconduttori è avvenuta, forse, più tardi. Dopotutto, fu solo nel 1963 che fu possibile creare fili realmente lavorabili, che dovevano essere rallentati per la stabilizzazione termica. Paradossalmente, un fatto: l'introduzione dei superconduttori è iniziata otto anni prima della loro effettiva scoperta.

Oggi, i superconduttori sono praticamente utilizzati in fisica, dove strutture di ricerca di grandi dimensioni e nuovi dispositivi sono stati utilizzati per molti anni. Dalla stampa sono note singole applicazioni di motori elettrici superconduttori, giroscopi, solenoidi su navi, aerei. In medicina sono comparsi metri superconduttori di campi magnetici creati da organismi viventi.

L'uso di superconduttori nel settore energetico e nei trasporti è estremamente rilevante. Qui, i lavori preparatori sono in corso da molti anni, ma nuove macchine e cavi non sono ancora in funzione. Perché?

Ci sono molte ragioni che rimandano la data dell'uso massiccio dei superconduttori nell'economia nazionale. Ad esempio, non è stato facile sviluppare una teoria della superconduttività, ma non è meno difficile per gli ingegneri padroneggiare questa teoria. Un compito inaspettatamente difficile era la costruzione di fili superconduttori, non c'è altra parola per il processo di creazione di una composizione multi-elemento da diversi metalli. La produzione di nastri, pneumatici e fili superconduttori ha richiesto lo sviluppo di tecnologie speciali, la creazione di macchine speciali e persino nuove industrie.

Grandi difficoltà sono associate alla fornitura criogenica di oggetti superconduttori, poiché la superconduttività si presenta solo a temperature molto basse. Sono stati richiesti camion refrigerati ad alta potenza.

Lo sviluppo della tecnologia criogenica è impensabile senza l'uso di un vuoto profondo, quindi è necessario imparare a riceverlo e mantenerlo. E, naturalmente, misurazioni: abbiamo bisogno di sensori e dispositivi speciali, cavi di controllo che passano attraverso cavità con temperature diverse.

Ma quando sarà possibile superare tutte queste difficoltà, non sarà facile risolvere il problema elettrico. Fino ad ora, nell'ingegneria elettrica ad alta potenza, vengono solitamente utilizzate correnti da decine a centinaia di ampere, ed è tecnicamente ed economicamente fattibile trasferire correnti migliaia di volte superiori attraverso i superconduttori. Ma sono necessarie tali installazioni multi-amp?

Tali installazioni esistono, ma sono poche. Non è facile crearli, poiché l'attuale capacità di carico dei conduttori tradizionali, rame e alluminio, è limitata. Ora che con l'aiuto dei superconduttori è possibile aumentare ripetutamente le densità attuali e le correnti stesse, sarebbe realistico parlare della modernizzazione di tutte le strutture elettriche dalle centrali elettriche ai consumatori. Ma è necessario un tale adeguamento? In caso contrario, perché creare componenti elettrici superconduttori?

Tali unità dovrebbero essere multi-ampere, questo è innegabile. Dopotutto, i superconduttori sono meravigliosi materiali conduttori. Ma i circuiti elettrici sono progettati per piccole correnti e tensioni molto elevate. Bene, incorporare oggetti multi-ampere in circuiti a basso ampere? Unreal. E la completa ristrutturazione di tutte le apparecchiature elettriche è un compito enorme. I superconduttori troveranno davvero il loro posto solo in installazioni fisiche uniche?

Tuttavia, le difficoltà del problema associato all'introduzione dei superconduttori vengono gradualmente risolte. Quando è iniziato il lavoro applicato con i superconduttori, la mancanza di personale qualificato, nuovi materiali, attrezzature e dispositivi è stata particolarmente acuta. Ma comunque, uno dopo l'altro, nacquero piccoli modelli. C'è stata una domanda costante di nuovi cavi, fluidificatori, strumenti e sensori. Fisici e matematici sono coinvolti nella risoluzione di problemi puramente pratici: determinazione di campi e correnti critici, valutazione delle perdite di corrente alternata, calcolo del comportamento termostabile dei superconduttori nell'elio liquido.

Oggi, centinaia di team di ricerca sono impegnati nei problemi della superconduttività tecnica. Sono stati identificati piani di ricerca a lungo termine, sono state formulate catene di lavoro, sono pronti elenchi di strutture da attuare.

Nel complesso, si può ritenere che il lavoro di ricerca necessario per creare i principali campioni dei superconduttori dell'attrezzatura sia stato eseguito di circa il 30-50%. Tra i modelli creati ci sono elettromagneti per la ricerca fisica e per turbogeneratori, motori, trasformatori e sezioni di cavi superconduttori, cuscinetti e dispositivi.

"I prossimi anni saranno cruciali per la transizione dei superconduttori dai laboratori all'industria per applicazioni su larga scala", ha affermato due volte J. Bardin, vincitore del premio Nobel.

Leggi sul futuro della superconduttività nel prossimo articolo.

Mikhail Chernov electro-it.tomathouse.com

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Il futuro è superconduttore