Предыдущее столетие можно по праву назвать веком электричества. Электронами несложно манипулировать, поэтому именно электричество в первую очередь стало почвой для создания новых технологий. Век электричества привел к появлению радио, телевидения, компьютеров, лазеров, магнитно-резонансной томографии и т.п. В наступившем веке ученым еще предстоит найти свою новую святыню, но она непременно появится: речь идет о сверхпроводимости при комнатной температуре. Это открытие ознаменует начало совершенно новой эры, эры магнетизма.

Представьте себе магнитный автомобиль, парящий над дорогой и преодолевающий за час несколько сотен километров, причем почти не расходуя топлива. Представьте поезда на магнитной подушке и даже людей, путешествующих по воздуху, парящих на магнитной «подвеске».

Мы часто забываем, что большая часть бензина в автомобиле идет на преодоление силы трения. В принципе, от Сан-Франциско до Нью-Йорка можно было бы доехать, почти не затрачивая энергии. В реальности вам придется заплатить за бензин не одну сотню долларов, потому что автомобиль должен преодолевать трение колес относительно дорожного покрытия и сопротивление воздуха. Если бы всю дорогу можно было покрыть ровным слоем льда и скользить по нему, путешествие обошлось бы вам гораздо дешевле. Точно так же космические зонды могут улететь за Плутон, израсходовав по дороге всего несколько десятков литров топлива, потому что лететь им приходится сквозь космический вакуум. Магнитный автомобиль будет висеть над землей на магнитной подвеске; стоит дунуть — и он начнет двигаться.

Ключ ко всем этим технологиям — сверхпроводники. Еще в 1911 г. стало известно, что ртуть при охлаждении до четырех градусов по шкале Кельвина (т.е. до четырех градусов выше абсолютного нуля) полностью теряет электрическое сопротивление. Это означает, что на сверхпроводящих проводниках вообще не теряется энергия. (В нормальных условиях электроны при движении по проводнику теряют энергию, сталкиваясь с атомами. Но при температурах, близких к абсолютному нулю, атомы почти неподвижны, так что электроны проскальзывают между ними без всяких потерь энергии.)

Сверхпроводники обладают странными и чудесными свойствами, но имеют один серьезный недостаток: их надо постоянно охлаждать почти до абсолютного нуля жидким водородом, а это очень дорогое удовольствие.

Поэтому физики испытали настоящий шок, когда в 1986 г. было объявлено об открытии нового класса полупроводников, не нуждающихся в охлаждении до таких безумно низких температур. В отличие от уже известных сверхпроводящих веществ, таких как ртуть или свинец, новые сверхпроводники были керамическими (а керамика никогда не считалась серьезным кандидатом в сверхпроводники!) и обретали свойство сверхпроводимости уже при температуре 92 кельвина (-181 С). Прежде считалось, что сверхпроводимость при такой температуре теоретически невозможна.

На текущий момент мировой рекорд для керамических сверхпроводников составляет 138 К. Это очень важно, так как жидкий азот (который стоит не дороже молока) образуется при 77 К и, следовательно, с его помощью можно эту керамику поддерживать в сверхпроводящем состоянии. Одного этого факта оказалось достаточно, чтобы резко снизить стоимость сверхпроводников. Так что высокотемпературная сверхпроводимость — очень практичное открытие.

Однако, по правде говоря, керамические сверхпроводники лишь раздразнили аппетиты физиков. Ведь пока сделан гигантский, но недостаточный шаг в правильном направлении. Во-первых, несмотря на дешевизну жидкого азота, использовать его без какого-либо холодильного оборудования вряд ли возможно. Во-вторых, из керамики трудно делать провода. В-третьих, физики до сих пор не до конца понимают природу этой керамики и не могут с уверенностью сказать, почему в ней возникает сверхпроводимость. Квантовые уравнения керамических сверхпроводников слишком сложны, и решить их в настоящее время не представляется возможным, поэтому никто не знает наверняка, как они работают. Физики в недоумении. Ученого, который сможет объяснить теоретически природу высокотемпературной сверхпроводимости, ждет Нобелевская премия.

С другой стороны, каждый физик прекрасно понимает, какое громадное значение имела бы сверхпроводимость при комнатной температуре. Открытие такого явления стало бы толчком к новой промышленной революции. Ведь для сверхпроводников при комнатной температуре не нужно никакое холодильное оборудование, так что они стали бы источником постоянного магнитного поля невероятной мощности.

Если по медной проволочной рамке течет ток, его энергия рассеивается за долю секунды из-за сопротивления проволоки. Однако эксперименты показали, что электричество в сверхпроводящей рамке может течь без подпитки энергией долгие годы. Экспериментальные данные свидетельствуют, что время жизни тока в сверхпроводящем кольце может достигать 100 000 лет. Некоторые теории даже утверждают, что максимальное время жизни электрического тока в сверхпроводнике ограничивается лишь временем жизни известной нам Вселенной.

В самом худшем случае «комнатные» сверхпроводники могли бы резко уменьшить потери электричества в высоковольтных линиях и снизить таким образом стоимость электричества. Известно, что электростанции всегда строятся вблизи крупных городов; причина, в частности, в том, что в линиях электропередачи может теряться до 30% вырабатываемой энергии. Именно поэтому опасные атомные станции приходится строить рядом с крупными городами, а ветряные электростанции невозможно строить там, где больше всего дует ветер.

Свыше 30% электроэнергии, производимой электростанцией, расходуется при передаче. Провода, обладающие сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре, могли бы полностью изменить картину. Уменьшение потерь снизило бы стоимость электричества, серьезно уменьшило загрязнение окружающей среды и опасность глобального потепления. Раз мировое производство углекислого газа определяется уровнем энергопотребления, а большая часть энергии расходуется на преодоление трения, то наступление эры магнетизма могло бы навсегда снизить и энергопотребление, и выработку углекислого газа.

Без всяких дополнительных затрат энергии сверхпроводники при комнатной температуре дадут человечеству мощные супермагниты, способные удерживать в воздухе автомобили и даже поезда.

Простую демонстрацию этого эффекта можно провести в любой лаборатории. Я и сам не раз проводил ее в передачах ВВС-TV и канала Science. Заказать небольшой кусочек керамического высокотемпературного полупроводника можно в компании, торгующей научным и учебным оборудованием. Это будет серый кусочек твердой керамики сантиметра 3 в поперечнике. Затем можно купить немного жидкого азота. Поместите керамическую пластинку в пластиковую тарелку и осторожно залейте жидким азотом. При соприкосновении с керамикой азот вскипит. Дождитесь, чтобы кипение прекратилось, а затем положите на сверхпроводник небольшой магнитик. Магнит волшебным образом зависнет в воздухе. Если осторожно подтолкнуть его пальцем, он начнет вращаться. Не исключено, что в этой небольшой тарелке — будущее мирового транспорта.

Причина, по которой магнит зависает в воздухе, проста. Магнитные силовые линии не могут войти в сверхпроводник. Это явление называется эффектом Мейснера. (Когда к сверхпроводнику прикладывают магнитное поле, на его поверхности возникает кольцевой ток, компенсирующий его, так что магнитное поле полностью вытесняется из объема сверхпроводника.) Вы помещаете магнит на керамический сверхпроводник, и его силовые линии сминаются, так как проникнуть в сверхпроводник они не в состоянии. Возникает «подушка» из сжатых вместе линий магнитного поля, которая отталкивает магнит от керамики и заставляет его плавать в воздухе.

Открытие сверхпроводимости при комнатной температуре, помимо всего прочего, может послужить началом эры супермагнитов. Мы уже видели, что аппараты для магнитно-резонансной томографии чрезвычайно полезны, но нуждаются для работы в мощных магнитных полях. «Комнатные» сверхпроводники дадут возможность ученым дешево и просто создавать магнитные поля невероятной мощности. Понятно, что это позволит миниатюризировать аппараты для МРТ. Уже сегодня можно с использованием неоднородных магнитных полей создавать MPT-аппараты размером с небольшой чемодан. Если же в распоряжении ученых появятся сверхпроводники при комнатной температуре, MPT-аппарат, возможно, удастся уменьшить до размера пуговицы.

В третьей части фильма «Назад в будущее» Майкл Фокс (Michael J. Fox) снят на «леталке» — доске вроде скейтборда, способной летать по воздуху. После премьеры фильма на магазины обрушился настоящий шквал звонков от подростков, мечтавших приобрести такую летающую доску. К сожалению, «леталок» пока не существует, но после открытия сверхпроводников при комнатной температуре они, возможно, появятся.

В первую очередь дешевые и удобные сверхпроводники найдут себе применение на транспорте, где неизбежна настоящая революция; появятся автомобили и поезда, которые будут парить над поверхностью, а значит, двигаться без всякого трения.

Представьте себе поездку в машине, сделанной с применением сверхпроводников при комнатной температуре. Дороги тогда будут покрывать не асфальтом, а сверхпроводником. В машине будет либо постоянный магнит, либо собственный сверхпроводник, генерирующий магнитное поле. Машина будет парить над дорогой. Для того чтобы начать движение, ей будет достаточно даже силы сжатого воздуха. Раз набрав скорость, она (если дорога горизонтальна) будет скользить вперед почти бесконечно. Электрический двигатель или струя сжатого воздуха будет работать только на преодоление сопротивления воздуха — и это все!

Даже теперь, когда ученым неизвестны сверхпроводники при комнатной температуре, в некоторых странах действуют железные дороги для поездов на магнитной подвеске, парящих над рельсами. Здесь левитация основана на том, что одинаковые (к примеру, северные) полюса магнитов отталкиваются друг от друга. Магниты в рельсах и в днище поезда организованы таким образом, что позволяют поезду парить над самой поверхностью рельсов.

Лидерами в этом направлении являются Германия, Япония и Китай. Поезда на магнитной подвеске успели уже поставить несколько мировых рекордов. Первым коммерческим поездом на магнитной подвеске стал довольно медленный челночный поезд, соединивший международный аэропорт и железнодорожный вокзал в Бирмингеме; маршрут начал действовать в 1984 г. Самая высокая скорость поезда на магнитной подвеске, составляющая 581 км/ч, зарегистрирована в Японии на поезде MLX01 в 2003 г. (Реактивные самолеты летают быстрее отчасти потому, что на больших высотах сопротивление воздуха меньше. Поскольку поезд на магнитной подвеске парит в воздухе, энергию он тратит в основном на преодоление трения о воздух. Если бы такой поезд ездил в вакууме, он мог бы развивать скорость до 6500 км/ч.) Но такие поезда обходятся очень дорого и вряд ли найдут широкое распространение в мире. Сверхпроводники при комнатной температуре могли бы полностью изменить ситуацию. В частности, они могли бы оживить систему железных дорог в США и уменьшить таким образом эмиссию парниковых газов от двигателей реактивных самолетов. Согласно оценкам, самолетные двигатели ответственны примерно за 2% парниковых газов, и поезда на магнитной подвеске могли бы серьезно уменьшить эту долю.

К концу текущего века появится, вероятно, и еще один источник энергии — энергия космических солнечных электростанций. Ее добыча подразумевает отправку в космос и выведение на околоземную орбиту сотен спутников, которые будут поглощать солнечное излучение и передавать энергию на Землю в виде микроволнового излучения. Спутники будут базироваться на расстоянии 36 000 км над земной поверхностью, на геостационарной орбите (это означает, что они будут делать один оборот вокруг Земли ровно за сутки и, соответственно, будут все время висеть над одной и той же точкой поверхности). Поскольку известно, что до поверхности Земли доходит лишь восьмая часть солнечной энергии, такой подход представляется вполне реальным и даже выгодным.

В настоящее время главным камнем преткновения в деле добычи космической энергии является стоимость проекта и, главное, стоимость запуска всех этих космических коллекторов. Ничто в законах природы не запрещает добывать энергию непосредственно от Солнца, но для реализации масштабного проекта такого рода потребуется решить огромное множество технических и экономических проблем. Но если к концу века появятся новые дешевые способы космических путешествий, его вполне можно будет осуществить, как мы убедимся в главе 6.

Первое серьезное предложение о добыче космической солнечной энергии прозвучало в 1968 г., когда Питер Глейзер (Peter Glaser), президент Международного общества солнечной энергии, предложил вывести на орбиту спутники размером с современный город, которые затем передавали бы энергию на Землю энергетическим лучом. В 1979 г. ученые NASA проанализировали его предложение и выяснили, что стоить такой проект будет несколько сотен миллиардов долларов. Естественно, проект был отвергнут.

Однако в космической отрасли постоянно происходят подвижки, появляются новые технологии, поэтому с 1995 по 2003 г. NASA продолжало финансировать небольшие исследовательские проекты по космической энергетике. Ее сторонники утверждают, что реализация проекта — всего лишь вопрос времени. «Космическая энергетика предлагает поистине надежный, глобальный и не загрязняющий окружающую среду источник электричества», — говорит Мартин Хофферт (Martin Hoffert), физик, работавший прежде в Нью-Йоркском университете.

Такой амбициозный проект неизбежно столкнется с серьезными проблемами, как реальными, так и воображаемыми. Некоторые испытывают перед ним страх, потому что энергетический луч, по которому энергия будет передаваться из космоса на Землю, может быть случайно направлен в населенную местность, что вызовет громадные жертвы. На самом деле подобные страхи сильно преувеличены. Если рассчитать реальное излучение, которое будет приходить на землю из космоса, оно окажется слишком слабым и не опасным для здоровья. Так что образ взбесившегося спутника, посылающего с орбиты на Землю лучи смерти и поджаривающего целые города, пригоден только для голливудских кошмаров.

В 2009 г. писатель-фантаст Бен Бова изложил в газете Washington Post соблазнительную экономику солнечного энергетического спутника. Он оценил, что каждый спутник будет производить 5–10 ГВт энергии (это намного больше, чем производит традиционная угольная станция) по цене 8–10 центов за кВт-ч, что сделает эту энергию конкурентоспособной. Каждый спутник будет огромен, около 1,5 км в поперечнике, и обойдется примерно в миллиард долларов (приблизительно во столько обходится средняя атомная станция).

Чтобы запустить эту технологию, он предложил нынешней администрации инициировать демонстрационный проект и запустить спутник, который будет генерировать 10–100 МВт. Гипотетически, если начать реализацию проекта не мешкая, такой спутник мог бы быть запущен к концу второго президентского срока президента Обамы.

Будто отзываясь на комментарии американского фантаста, японское правительство озвучило крупную инициативу. В 2009 г. Министерство торговли объявило о планах по изучению реализуемости проекта космических электростанций. Mitsubishi Electric и другие японские компании совместно профинансируют программу стоимостью 10 млрд долларов; возможно, в космос будет запущена солнечная электростанция мощностью 1 ГВт — громадный спутник площадью в несколько квадратных километров, полностью облицованный солнечными батареями.

«Похоже на фантастический мультик, но производство солнечной энергии в космосе через 100 лет, когда ископаемое топливо закончится, может стать значительным альтернативным источником энергии», — говорит Кенсукэ Канэкиё (Kensuke Kanekiyo) из Института экономики энергетики — правительственной исследовательской организации.

Учитывая размах этого амбициозного проекта, японское правительство пока ведет себя очень осторожно. Следующие четыре года исследовательская группа будет изучать, насколько этот проект реализуем с научной и экономической точек зрения. Если эта группа даст добро, Министерство торговли и Аэрокосмическое исследовательское агентство Японии планируют запустить в 2015 г. небольшой спутник для испытания технологий передачи энергии из космоса на Землю.

Вероятно, основное препятствие здесь будет не научным, а экономическим. Хироси Ёсида (Hiroshi Yoshida) из токийской компании Excalibur КК, занимающейся космическим консалтингом, предупредил: «Расходы необходимо снизить в сто раз относительно нынешних оценок». Одна из проблем состоит в том, что расстояние до геостационарных спутников (36 000 км) очень велико, гораздо больше, чем 300–800 км до низкоорбитальных аппаратов, и потери при передаче энергии лучом на такие расстояния могут оказаться огромными.

И все же основная проблема — стоимость запусков. Именно здесь самое узкое место, именно это тормозит все планы возвращения на Луну и полетов на Марс.

Если стоимость ракетных пусков не будет кардинально снижена, любые планы развития космической энергетики обречены на неудачу.

В том случае, если все сложится удачно, японский план может вступить в действие примерно к середине столетия. Учитывая, однако, проблему с запусками, его реализации скорее всего придется ждать до конца века, когда появятся новые поколения ракет и стоимость запусков упадет. С другой стороны, если главная проблема космической энергетики — стоимость ракетных запусков, то возникает следующий вопрос: можем ли мы снизить стоимость космических путешествий так, чтобы когда-нибудь достичь звезд?