Куда исчезают 10% вашей электроэнергии и как сверхпроводимость может их вернуть
Тарифы на ЖКУ и не думают падать, а потребляющих электричество бытовых приборов в квартирах становится всё больше. Более того, около 10% электроэнергии уходит в никуда. Разберёмся, почему так происходит, и расскажем о технологии сверхпроводимости, которая может это исправить.
Куда уходит электричество?
В основе потерь энергии в сетях лежит простое физическое явление — электрическое сопротивление. Его можно сравнить с трением: как трение мешает двигаться механическим объектам, так и сопротивление мешает течь электрическому току. На микроуровне это выглядит так: электроны, движущиеся по проводу, постоянно сталкиваются с атомами его кристаллической решётки.
В результате этих столкновений энергия движения электронов превращается в тепло. Провод нагревается, а энергия бесполезно рассеивается в окружающую среду. Этот процесс называется джоулевым нагревом. Его описывает закон Джоуля — Ленца, который гласит, что теряемая мощность прямо пропорциональна квадрату силы тока и сопротивлению проводника (P=I^2R). Формула показывает, что даже небольшое сопротивление при больших токах ведёт к огромным потерям.
Провода ЛЭП
Сопротивление зависит от материала: например, у меди и алюминия оно низкое, а у дерева — высокое. Также на это свойство влияют и размеры провода. Чем длиннее и тоньше провод, тем выше его сопротивление. Именно поэтому для линий электропередачи используют толстые кабели — это помогает снизить потери.
Масштаб проблемы
Потери в электросетях — это не просто строчка в учебнике физики, а экономическая и экологическая проблема. В масштабах страны в сетях теряется от 8 до 15% всей вырабатываемой электроэнергии. В среднем по миру этот показатель составляет 8–9%. В развитых странах он ниже (5,1–7,7%), а в развивающихся может достигать 20%.
Эти проценты выливаются в колоссальные издержки. Например, экономике США перебои и потери в сетях обходятся примерно в 150 миллиардов долларов ежегодно. Кроме того, чтобы компенсировать потери, электростанции вынуждены сжигать больше топлива. По оценкам, в 2018 году потери в сетях привели к выбросу около 1 гигатонны углекислого газа.
Что такое сверхпроводимость?
Сверхпроводимость — это удивительное квантовое явление. Когда некоторые материалы охлаждают ниже определённой, «критической» температуры, они приобретают два уникальных свойства.
Первое и главное — полное отсутствие электрического сопротивления. Электрический ток, запущенный в замкнутом контуре из сверхпроводника, может течь в нём практически вечно, без потерь и без источника энергии.
Левитация магнита над сверхпроводником, охлаждённым жидким азотом
Второе свойство — эффект Мейснера. Сверхпроводник выталкивает из себя внешнее магнитное поле, становясь идеальным диамагнетиком. Именно благодаря этому эффекту возможна знаменитая магнитная левитация, когда магнит парит над охлаждённым сверхпроводником.
Как это работает
Объяснить сверхпроводимость удалось не сразу. Прорыв случился в 1957 году, когда была создана теория БКШ (названа по фамилиям её авторов — Бардина, Купера и Шриффера). Согласно этой теории при очень низких температурах электроны в материале перестают отталкиваться и начинают притягиваться друг к другу, образуя так называемые куперовские пары.
Это происходит при посредничестве колебаний кристаллической решётки. Такие пары движутся через материал как единое целое, не сталкиваясь с атомами и не рассеивая энергию. Именно это слаженное движение и обеспечивает нулевое сопротивление.
Главная проблема: холод
У сверхпроводимости есть один существенный недостаток: она работает только при экстремально низких температурах. Связь в куперовских парах очень слабая, и любое тепловое движение атомов её разрушает. Поэтому для работы сверхпроводников нужно дорогое и энергозатратное криогенное охлаждение, что и мешает их повсеместному внедрению.
Путь к комнатной температуре
История сверхпроводимости — это постоянная гонка за повышением критической температуры.
Классические сверхпроводники
Явление открыл в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Он обнаружил, что сопротивление ртути полностью исчезает при охлаждении до 4,2 К (–269 °C). Затем сверхпроводимость нашли у свинца и других металлов, но десятилетиями рекорды повышения температуры были очень скромными. К 1970-м годам удалось создать материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние лишь при 23 Кельвинах (–250 °C).
Прорыв: высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)
Настоящая революция случилась в 1986 году. Исследователи из IBM Георг Беднорц и Алекс Мюллер открыли новый класс материалов — керамику на основе оксидов меди, которая становилась сверхпроводящей при 35 К (–238 °C). Всего год спустя они получили за это Нобелевскую премию — одно из самых быстрых признаний в истории научных открытий.
Вскоре был синтезирован материал YBCO с критической температурой 92 К (–181 °C). Это стало важнейшим шагом, поскольку 92 К выше температуры кипения жидкого азота (77 К). Жидкий азот гораздо дешевле и доступнее жидкого гелия, который был нужен для охлаждения классических сверхпроводников. Это сделало технологию намного практичнее.
«Святой Грааль» физики
Создание материала, который остаётся сверхпроводящим при комнатной температуре и обычном давлении, называют «Святым Граалем» современной физики. Такой материал произвёл бы технологическую революцию, так как устранил бы главную преграду — необходимость в постоянном охлаждении.
Образец оксида висмута-стронция-кальция-меди (BSCCO) — одного из самых практически применимых сверхпроводников
Летом 2023 года научный мир взбудоражила новость от корейских учёных. Они заявили о создании такого материала под названием LK-99. Однако многочисленные проверки в лабораториях по всему миру не подтвердили это открытие. Оказалось, что наблюдаемые эффекты были вызваны примесями в образце, а не истинной сверхпроводимостью. На сегодняшний день рекорд принадлежит сверхгидриду лантана LaH10. Он лишается сопротивления при температуре от –23 до –13°C, но только при давлении в 1,5–2 млн атмосфер.
Как сверхпроводимость изменит мир?
Если удастся преодолеть технологические барьеры, сверхпроводимость преобразит многие сферы жизни.
ЛЭП без потерь
Самое очевидное применение — создание линий электропередачи (ЛЭП), в которых энергия не будет теряться на нагрев. Это позволит не только экономить колоссальные ресурсы, но и сократить выбросы CO₂, так как не придётся вырабатывать лишнюю энергию для компенсации потерь. Уже существуют проекты по созданию сверхпроводящих кабелей, например SCARLET в Европе и VEIR в США. Основная проблема пока — высокая стоимость и нежелание энергокомпаний менять уже существующую инфраструктуру.
Мощные магниты
Сверхпроводимость активно используется для создания сверхмощных магнитов. Крупнейший рынок для них — это аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ). Сверхпроводящие магниты создают сильные и стабильные поля, необходимые для получения качественных снимков мягких тканей. Также их применяют в ускорителях частиц, как в ЦЕРНе, и в проектах термоядерных реакторов.
Другие применения
- Поезда на магнитной подушке — маглевы. Благодаря эффекту Мейснера поезд может левитировать над рельсами, что полностью исключает трение. Это позволяет развивать скорости до 600 км/ч при очень плавном и тихом ходе.
- Сверхпроводниковая электроника. Компьютерные чипы на основе сверхпроводников могли бы работать в сотни раз быстрее современных и быть в тысячи раз энергоэффективнее. Это решило бы проблему перегрева и значительно сократило бы углеродный след от дата-центров, на которые сегодня приходится 2–4% мировых выбросов CO₂.
В итоге
Потенциал этой технологии сверхпроводимости огромен: она способна преобразить энергетику, транспорт, медицину и IT-сферу. Несмотря на то, что «Святой Грааль» в виде комнатного сверхпроводника пока не найден, исследования в этом направлении продолжаются и никакого фундаментального запрета на существование такого материала нет.