Чудеса проводимости

Технология, разработанная компанией «С-Инновации» (резидент «Сколково»),— удачный пример претворения в жизнь достижений фундаментальной науки. Созданный в 2011 году российский стартап сегодня обеспечивает более 20% мирового производства ВТСП-проводов.

Процесс лазерного осаждения слоя сверхпроводника на металлическую ленту проходит в вакууме при температуре около 800 градусов

Фото: Предоставлено компанией «С-Инновации»

«Когда открыли высокотемпературную сверхпроводимость, государство, тогда еще СССР, выделило крупные средства на исследования,— рассказывает Андрей Вавилов, инвестор, председатель совета директоров ЗАО "СуперОкс", материнской компании "С-Инноваций".— Они проводились на химфаке и физфаке МГУ в партнерстве с Курчатовским институтом. Будущий костяк специалистов нашей компании тоже активно участвовал в тех исследованиях».

Применить результаты этой работы на практике удалось только в 2000-х. Впервые сверхпроводящий провод начала выпускать в 2006 году компания из США American Superconductor, и Андрей Вавилов, который всегда чувствовал тренд, решил создать собственный проект в этой области с выходом на международные рынки. Он собрал команду ученых — выпускников МГУ, МИФИ, Физтеха, МАИ, которым была хорошо знакома эта тема. Многие из них тогда работали за границей, но вернулись ради решения столь амбициозных задач. Так появилась компания «С-Инновации», которая занялась разработкой технологии производства высокотемпературных сверхпроводниковых проводов.

Керамика на проводе

«Низкотемпературные сверхпроводники, которые применялись до конца 1980-х годов, представляли собой сплав металлов, чаще всего на основе ниобия,— рассказывает Андрей Вавилов.— Высокотемпературные — это сложные оксиды редкоземельных металлов, бария и меди. Их структура — производная от структуры перовскита. Самый популярный состав высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в качестве редкоземельного металла содержит иттрий. Но оксиды — материал очень хрупкий. Как сделать из них провод?»

С низкотемпературными сверхпроводниками подобных проблем не возникало: их прокатывали через станы как самые обычные медные или алюминиевые провода. Но с ВТСП-керамикой так не поступишь: она просто сломается. Пришлось использовать нанотехнологии — нанесение одного за другим тончайших слоев различных веществ. «Слои должны быть тонкими, чтобы провод мог изгибаться,— объясняет Сергей Самойленков, гендиректор компании "СуперОкс".— Основа нашего провода — сверхпроводящая керамика — нанесена таким тонким слоем, что гнется, хотя в принципе керамика гнуться не должна. Тут можно провести аналогию с оптоволокном, которое сделано из стекла. Стекло тоже хрупкий, негнущийся материал, но, если сделать его достаточно тонким, оно становится гибким. Наша задача была в том, чтобы при столь малой толщине (сверхпроводящий слой здесь занимает всего 1% сечения) наш провод передавал очень большой ток, и мы нашли такие технологические решения».

Четыре Нобелевские премии

Технология производства высокотемпературных сверхпроводников относится к числу наукоемких. Об этом свидетельствует уже то, что за научные открытия в области сверхпроводимости присудили минимум четыре Нобелевские премии. Явление сверхпроводимости, когда при температурах, близких к абсолютному нулю, электрическое сопротивление металла «исчезает», было открыто в 1911 году, но применить его в реальной жизни долгое время было невозможно из-за дороговизны процесса: охлаждать такие сверхпроводники приходится жидким гелием. Возможность практического применения появилась лишь с открытием сверхпроводимости в керамических материалах, наблюдаемой при относительно высоких температурах — от минус 196 градусов Цельсия и выше. Это температура кипения жидкого азота — относительно дешевого и доступного хладагента. Было это в 1986 году.

Сверхпроводники по технологии производства можно сравнить также с полупроводниковой техникой. Как получают процессоры? На кремниевую подложку осаждают различные химические слои, и они растут как монокристаллы. В случае с ВТСП-проводом оксидные слои осаждаются не на кремний, а на металлическую подложку. Все процессы осуществляются в вакууме, при высокой температуре, с точным контролем множества параметров. «Мы берем подложку из прочного сплава на основе никеля, имеющего высокую стойкость к коррозии, и с помощью физических и химических методов осаждения последовательно в разных камерах наносим около десяти слоев. Толщина некоторых из этих слоев всего-навсего 5 нанометров — это 20 атомов, поставленных друг на друга. Это настоящие нанотехнологии»,— подчеркивает Сергей Самойленков.

Технология с цифрой

Многослойный ВТСП-провод производят в ходе многостадийного процесса с применением современных физических и химических методов получения покрытий

Фото: Предоставлено компанией «С-Инновации»

Производственный процесс начинается с подготовки ленты-подложки. «Металлопрокат, который мы покупаем, недостаточно гладкий, чтобы на него наносить последующие слои, поэтому сначала происходят отмывание ленты-подложки от органической смазки и электрополировка, уменьшающая шероховатость поверхности. После полировки шероховатость ленты-подложки не должна превышать 1 нанометра, иначе последующие слои не получатся сплошными и проводник не будет работать,— рассказывает Александр Молодык, гендиректор "С-Инноваций".— Первые шесть слоев в структуре ВТСП-провода подготовительные, а уже на них наносится слой сверхпроводника. Для чего нужны буферные слои? Во-первых, чтобы не возникало взаимодействия сверхпроводника с металлом. Буферные слои, располагаясь между сверхпроводником и лентой-подложкой, формируют диффузионный барьер. Кроме того, функция буферных слоев состоит еще и в том, чтобы подготовить поверхность, которая обеспечит правильный рост пленки сверхпроводника. Кристаллы керамического материала ориентированы друг относительно друга случайным образом, но для достижения максимальной величины электрического тока в сверхпроводнике их следует упорядочить — иными словами, ориентировать кристаллы растущей ВТСП-пленки строго определенным образом. Это и делают буферные слои».

Сверху ВТСП-лента покрыта тонким слоем меди. «Это делается для электрической стабилизации,— объясняет Александр Молодык.— Медь, как известно, хороший проводник электричества, и медный слой нужен для предотвращения аварии. Например, если сверхпроводник нагреется выше критической температуры и утратит сверхпроводящие свойства, то из-за большой силы тока он может сгореть. В этом случае медь принимает удар на себя. Между сверхпроводником и медью проложен тонкий слой серебра: он нужен, чтобы избежать химического взаимодействия сверхпроводника с медью».

Цифровые микрометры измеряют толщину ленты на входе и на выходе: она должна быть одинаковой по всей длине. Завершающий этап производства — контроль качества, где измеряется главный показатель — критический ток в сверхпроводнике. «Для нашей ленты шириной 12 мм сила тока составляет 500–600 ампер»,— с гордостью говорит Александр.

Сейчас команда «С-Инноваций» внедряет цифровые технологии. «Мы первыми в индустрии пришли к использованию в технологическом процессе искусственного интеллекта,— отмечает Андрей Вавилов.— У нас 200 технологических параметров. Контролировать их с помощью даже очень талантливой команды можно до определенного предела. Дальше накапливаются ошибки, падает качество. К нарушению ключевых сверхпроводящих свойств нашей ленты способен привести дефект размером 1 микрометр, поэтому помощь нейросетей нам просто необходима».

Для начала мы объединили все производственные установки в технологическую сеть и создали непрерывно пополняемую базу данных с десятками гигабайт сжатой технологической информации, полученной с производства. Обученный на этих данных искусственный интеллект, пользуясь определенными алгоритмами, строит многопараметрические корреляционные модели, применение которых обеспечивает стабильный производственный результат и максимальное качество продукции. «Именно к этому мы и стремимся — постоянно находить скрытые корреляции параметров, которые дают прирост в качестве»,— указывает Андрей Вавилов.

Термоядерный синтез и не только

В этой вакуумной установке на металлическую ленту последовательно наносится шесть оксидных покрытий общей толщиной всего 120 нанометров

Фото: Предоставлено компанией «С-Инновации»

Высокотемпературные сверхпроводники широко применяются в обмотках электромагнитов специального назначения. «Сверхпроводимость существует при определенных условиях,— объясняет Сергей Самойленков.— Так, в магнитном поле выше 15 тесла низкотемпературные сверхпроводники теряют сверхпроводимость. Для ВТСП этот порог — 100 тесла, а это значит: на их основе можно сделать мощный магнит. Такие магниты нужны главным образом для ускорителей заряженных частиц, например Большого адронного коллайдера, для токамаков — термоядерных реакторов. Термоядерный синтез способен полностью изменить энергетику XXI века, но для практической реализации управляемого термоядерного синтеза нужно создать очень высокое магнитное поле, которое будет длительное время удерживать плазму, разогретую до миллионов градусов! Единственный материал, который позволяет это сделать,— ВТСП-провод. Если его использовать, реактор будет в 100 раз меньше по объему и в 100 раз дешевле по сравнению с экспериментальными реакторами, использующими низкотемпературные сверхпроводниковые магниты».

А может ли инновационный провод применяться в менее «высоколобых» областях? «Все народное хозяйство неуклонно становится высоконаучным, и не постепенно, а стремительно, и мы в этом активно участвуем»,— говорит Андрей Вавилов. Так, на основе ВТСП-провода, выпускаемого компанией «С-Инновации», были созданы образцы авиационных электродвигателей, представленные на авиакосмическом салоне МАКС в 2015, 2017 и 2019 годах, а впоследствии была разработана и испытана экспериментальная сверхлегкая силовая система для перспективных гибридных самолетов. «Электродвигатели — будущее авиации, но существовавшие до последнего времени технологии не позволяли сделать такой двигатель легким, а наша сверхпроводящая лента позволяет. В настоящее время мы испытываем созданный нами сверхпроводниковый электродвигатель мощностью 500 кВт в составе летающей лаборатории»,— добавляет Андрей Вавилов.

Особая гордость компании — самое мощное в мире сверхпроводниковое токоограничивающее устройство, установленное на московской подстанции «Мнёвники» в 2019 году. По сути, это большой электрический предохранитель, но не для одной квартиры, а для целого городского района. Если в цепи случается короткое замыкание, традиционная технология защиты срабатывает через десятую долю секунды, но за это время ток короткого замыкания успевает причинить много вреда и может привести к веерному отключению электроэнергии в нескольких районах. «Токоограничитель на основе нашей технологии срабатывает за тысячную долю секунды,— объясняет Андрей Вавилов.— Если при обычном токе у сверхпроводящего провода электрическое сопротивление равно нулю, то при высоком токе короткого замыкания оно появляется, причем достаточно высокое для того, чтобы ток быстро рассеялся и ничего не испортил». В ближайшие годы планируется установить на подстанциях Москвы еще восемь таких устройств.

А еще в планах компании — наращивать производство. Только в этом году ее производственные мощности вырастут в три раза. «В последние год-два наблюдается взрывной рост рынка,— говорит Андрей Вавилов.— Объем производства каждый год удваивается. Мы должны постоянно развиваться, чтобы увеличить свою долю на рынке и сделать ВТСП-провод доступным по цене».