Наряду с пленками и длинномерными проводниками, обладающими высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП), достаточно перспективны для применений и ВТСП массивные материалы (стержни, кольца, пластины, изделия сложной формы). Из крупнозернистых ВТСП массивных материалов системы Re-Ba-Cu-O (Re - редкоземельный элемент рений) с большими критическими токами могут быть изготовлены, например, токовводы, магнитные подшипники, накопители энергии на маховиках, загрузочные системы и гистерезисные моторы. В ряде применений ВТСП массивные материалы с высокими критическими токами выступают, как квазипостоянные магниты с полем, значительно превышающим поля традиционных постоянных магнитов.

В зависимости от того, в каком состоянии - диамагнитном или ферромагнитном - находится ВТСП изделие в рабочем режиме, области применения разделяются на пассивные и магнитные. В диамагнитном состоянии используется способность сверхпроводника отталкиваться от внешнего магнитного поля (при этом подразумевается наличие источника внешнего постоянного поля). В ферромагнитном состоянии (состояние с замороженным магнитным потоком) сам сверхпроводник становится источником магнитного поля.

Ниже представлены возможные направления пассивных и магнитных применений массивных ВТСП изделий в таблице.

Пассивные применения	Магнитные применения
Магнитные подшипники	Квазипостоянные магниты
Маховики	Магнитная сепарация
Криогенные насосы	МАГЛЕВ'ы
Загрузочные системы	Магнитные захваты
Гистерезисные моторы (ротор)	Моторы (статор)
Линейные грузоподъемники	Магнитные демпферы ("успокоители")
Инерционные преобразователи	Управление пучками заряженных частиц
Силовые приводы	Магнитные приборы
Магнитные экраны

В сверхпроводящих подшипниках объемный Re-Ba-Cu-O используется как статор, а постоянный магнит как ротор. Баланс между силой тяжести и силой отталкивания между магнитом и сверхпроводником приводит к тому, что ротор зависает в пространстве и может свободно вращаться. Сверхпроводящие подшипники будут использоваться в тех случаях, когда необходима чистая среда или очень низкое трение. Одним из таких приложений, например, может быть маховик для аккумуляции энергии. Так как сверхпроводящий подшипник в идеале не имеет трения, появляется возможность запасать кинетическую энергию вращения в течение длительного периода. Уже имеются сообщения об успешном изготовлении системы с маховиком с запасаемой энергией 1 кВт*час.

В системах загрузки также используются левитационные свойства ВТСП в диамагнитном состоянии. Системы загрузки представляют собой направляющий рельс, набранный из магнитов с одинаковой поляризацией, и левитирующий в магнитном поле ВТСП держатель. Левитирующий ВТСП держатель перемещается вдоль магнитного рельса, не испытывая сил трения. Более того, тот же магнитный поток стабилизирует положение держателя и препятствует его отклонению от направляющего рельса. Ожидается, что левитируюшие загрузочные системы будут использоваться в ситуациях, когда требуются ультрачистая окружающая среда (например, при транспорте подложек на полупроводниковых производствах) или когда нежелателен прямой контакт с погрузчиком (например, при обеззараживании ядерной пыли).

Благодаря сильной анизотропности намагниченности ВТСП материалов, вращающееся магнитное поле может захватывать намагниченный сверхпроводник, и он может использоваться как ротор в электрических моторах. Так как намагниченность ВТСП материала значительно выше, чем у традиционного ферромагнетика, то появляется возможность изготовления компактного и эффективного двигателя, названного гистерезисным. В настоящее время имеются прототипы гистерезисного двигателя с выходной мощностью до 10 кВт.

ВТСП материалы способны захватывать значительные магнитные поля, превращаясь в квазистационарный магнит. В этом качестве они перспективны для использования в сверхпроводящих моторах в качестве статора. Вращающий момент электрического мотора определяется соотношением T=I*B, где I - электрический ток, а В - магнитная индукция. В традиционных моторах, в которых в качестве статора используются постоянные магниты, вращающий момент, Т, по существу ограничивается напряженностью поля постоянного магнита. В сверхпроводящих моторах при использовании в качестве статора массивного ВТСП материала в режиме замороженного потока можно резко увеличить вращательный момент.

ВТСП-магниты с захваченным потоком могут заменить традиционные NbTi катушки, которые сейчас применяются в маглевах - поездах, использующих явление магнитной левитации. Согласно численным расчетам для этого ВТСП магниты должны удовлетворять следующим, вполне достижимым на системах Re-Ba-Cu-O, требованиям: J_c > 10⁵ А/см² (при рабочей температуре); диаметр образцов > 10см; механическая прочность > 100MПa.

Поле, захваченное объемными ВТСП-материалами, имеет гораздо больший градиент, чем поле от постоянных магнитов или электромагнитных катушек. Следовательно, сверхпроводящий квазистационарный магнит захваченного потока может быть эффективен в устройствах магнитной сепарации.

И.Руднев (МИФИ)

По материалам статьи M.Murakami. Progress in applications of bulk high temperature superconductors. Supercond. Sci. Technol., 2000, 13, 448

Источник: Перспективные Технологии - наноструктуры, сверхпроводники, фуллерены