К 2024 году ВНИИНМ создаст сверхпроводники для ракетных двигателей и квантовых компьютеров

Пока сверхпроводники использует в основном большая наука — ​в установках, открывающих тайны Вселенной. Но в ближайшие годы эти материалы станут частью машин прикладного назначения. ВНИИНМ им. Бочвара уже создает высокотемпературные сверхпроводники для ракетных двигателей и низкотемпературные — ​для квантовых компьютеров.

Не нарушить связь

Сверхпроводящие квантовые компьютеры работают при очень низкой температуре — ​всего на сотые доли кельвина выше нуля. Такие условия создаются в специальных криостатах разбавления. Чтобы подводить электрический сигнал к кубитам (наименьшим элементам для хранения информации) и при этом минимизировать их нагрев, надо использовать сверхпроводящие кабели: они не имеют электрического сопротивления и обладают низкой теплопроводностью. «Их использование в квантовых компьютерах практически безальтернативно, — ​объясняет Павел Лукьянов, начальник лаборатории высокотемпературных сверхпроводников ВНИИНМ. — ​Другие сплавы, хорошо проводящие электричество, отлично проводят и тепло, а это риск для стабильности работы квантового компьютера. Любые шумы, в том числе тепловые, нарушат квантовую связанность, на которой основана работа таких систем».

Сверхпроводящими кабелями для компьютеров будущего специалисты института занялись в инициативном порядке, первые шаги выполнили в рамках аванпроекта. Продолжить работу планируют в рамках единого отраслевого тематического плана НИОКР — ​сейчас готовят заявку. «Мы сотрудничаем с МИСиСом, головным разработчиком квантовых компьютеров в России, — ​рассказывает Павел Лукьянов. — ​Коллеги заинтересованы в нашей продукции. Производители кабелей в мире есть, но таких компаний единицы, а отечественного производителя нет вовсе».

В качестве материала специалисты ВНИИНМ рассматривают сплавы с высоким, более 47 %, содержанием титана. Предложили инновационную конструкцию: полужесткая ниобий-титановая трубка с тонкими, порядка 100 мк, стенками, внутри — ​центральный проводник диаметром около 200 мк. «Трубки и центральный проводник должны быть очень гладкими и ровными: любая неоднородность на поверхности повлечет потерю сигнала», — ​подчеркивает Павел Лукьянов.

ВНИИНМ ставит себе задачу создать к 2024 году технологию и изготовить полуфабрикаты. Собирать кабели будут в НИИ кабельных материалов — ​уже есть предварительная договоренность с институтом.

Космические катушки

В России разрабатывается безэлектродный плазменный ракетный двигатель (БПРД) для освоения дальнего космоса, это часть комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ на период до 2024 года». Программа проходит согласование в правительстве.

Работа БПРД, в отличие от химических ракетных двигателей, основана на истечении плазмы: топливо (газ), попадая в рабочую камеру, сначала ионизируется до состояния холодной плазмы (около 6 тыс. К), а затем за счет эффекта электронно-циклотронного нагрева доводится до температуры несколько миллионов кельвинов. Для направления потока плазмы и создания тяги, а также удержания плазмы от взаимодействия со стенками камеры используются соосные сверхпроводящие магниты. «БПРД хорош тем, что у него довольно высокий удельный импульс, что поможет космическому кораблю развить необычайно высокую скорость, — ​рассказывает Павел Лукьянов. — ​Расход топлива достаточно низкий. По расчетам, такой двигатель позволит за несколько месяцев долететь до Марса и вернуться».

Во ВНИИНМ к 2024 году сделают макет магнитной системы БПРД. «Ракетный двигатель должен быть достаточно легким и энергоэффективным — ​использование магнитов из высокотемпературных сверхпроводников для этих целей предпочтительно», — ​говорит Павел Лукьянов. Магнитная система будет состоять из 20 катушек из сверхпроводящих лент толщиной порядка 100 мк и шириной около 4 мм. «ВТСП — ​нежный материал. Чтобы при намотке ленты не пострадали, необходимо поработать над свойствами, упрочнить материал», — ​добавляет Павел Лукьянов.

Уже есть эскиз катушек макета магнитной системы, ученые начали готовить материалы для производства лент.

КСТАТИ

Высокотемпературные сверхпроводники изготавливают нанесением на ленту-подложку буферных слоев и сверхпроводящего слоя. Для этого по мишеням в виде дисков стреляют лазерным лучом. Луч распыляет мишень, «пыль» осаждается на подложку. Лазерное напыление — ​дорогая технология. Чтобы сделать ВТСП дешевле, ученые ВНИИНМ предлагают применять магнетронное напыление. Расчеты подтверждают, что это возможно. В этом году в институте смонтируют экспериментальную установку, которая позволит проверить все опытным путем.

Чтобы улучшить основные характеристики ВТСП, ВНИИНМ с Курчатовским институтом разрабатывают мишени для напыления сверхпроводящего слоя из новых материалов. Сегодня в основном применяются мишени из иттрия, а бочваровцы предлагают для улучшения свойств частично либо полностью заменить иттрий на гадолиний, диспрозий, самарий и другие редкоземельные элементы. Также в мишени из гадолиния вводятся добавки из оксидов циркония, гафния и олова. К концу года во ВНИИНМ будут готовы 11 инновационных мишеней.