Передача электрической энергии с нулевыми потерями Одним из наиболее очевидных и экономически привлекательных применений сверхпроводников является передача электроэнергии без омических потерь. В традиционных медных или алюминиевых линиях электропередачи часть энергии неизбежно теряется в виде тепла вследствие сопротивления проводника. Сверхпроводящие кабели, будучи лишёнными сопротивления, позволяют передавать электрический ток практически без потерь, что особенно ценно при передаче энергии на большие расстояния.
Компактность и высокая плотность тока Сверхпроводники могут переносить плотность тока, на порядки превышающую ту, которую выдерживают обычные металлы. Это открывает возможность миниатюризации энергетических систем и увеличения их мощности при тех же габаритах. В частности, сверхпроводящие трансформаторы и кабели могут быть существенно меньше и легче традиционных аналогов, что упрощает их размещение в городских условиях.
Сверхпроводящие магнитные накопители энергии (SMES) SMES-системы представляют собой устройства для хранения больших объёмов энергии в магнитном поле, создаваемом сверхпроводящим током в замкнутом контуре. Такие накопители обладают исключительно высокой скоростью зарядки и разрядки, практически неограниченным количеством циклов и высокой энергетической эффективностью. Они особенно эффективны для компенсации кратковременных пиков нагрузки и стабилизации частоты в энергосетях.
Магнитная левитация (маглев) Применение сверхпроводников в транспорте реализуется, прежде всего, в системах магнитной левитации. Эффект Мейснера и пиннинг магнитных вихрей позволяют создавать устойчивое левитирующее состояние сверхпроводника над магнитными рельсами. Это обеспечивает бесконтактное движение с минимальным трением, высокими скоростями (свыше 500 км/ч) и отсутствием механического износа. Примеры таких технологий включают японские поезда SCMaglev и корейские тестовые платформы.
Сверхпроводящие электродвигатели и генераторы В двигателях и генераторах сверхпроводники позволяют значительно уменьшить массу и габариты, повысить КПД и достичь высокой удельной мощности. Особенно это актуально для авиации, морского и железнодорожного транспорта, где каждый килограмм массы критичен. Сверхпроводящие обмотки возбуждения позволяют отказаться от тяжёлых постоянных магнитов и добиться рекордной плотности магнитного потока.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) Наиболее массовое и широко внедрённое применение сверхпроводников — в сверхпроводящих магнитах, используемых в МРТ-сканерах. Такие магниты создают стабильное и однородное магнитное поле высокой напряжённости (обычно 1,5–3 Тл), необходимое для получения высококонтрастных изображений мягких тканей. Использование сверхпроводников позволяет получить поле с высокой стабильностью и однородностью без огромного расхода энергии.
Магнитоэнцефалография (МЭГ) МЭГ использует чувствительные сверхпроводящие детекторы — СКВИДы (сверхпроводящие квантовые интерферометры) — для регистрации слабейших магнитных полей, создаваемых нейронной активностью мозга. Это позволяет получать высокоточные пространственно-временные карты мозговой активности, применяемые в нейрофизиологии, эпилептологии и когнитивной науке.
Магниты для ускорителей частиц Сверхпроводящие магниты используются в крупных ускорительных комплексах — таких как Большой адронный коллайдер (БАК) в CERN — для создания интенсивных магнитных полей, отклоняющих и фокусирующих пучки частиц. При помощи таких магнитов достигаются поля порядка 8–10 Тл, что невозможно с использованием обычных электромагнитов из меди. Работа сверхпроводников в этих условиях требует глубокой криогенной инфраструктуры, но позволяет существенно снизить энергопотребление ускорителя.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и масс-спектрометрия Как и в МРТ, в ЯМР-спектроскопии применяются сверхпроводящие магниты, обеспечивающие высокую разрешающую способность. Это необходимо для изучения тонких химических сдвигов и взаимодействий между ядрами, применяемых в химии, биохимии, фармакологии и материаловедении. Современные ЯМР-установки работают на полях до 20 Тл, достигаемых благодаря Nb₃Sn и MgB₂-сверхпроводникам.
Сверхпроводящие сенсоры и радары СКВИДы находят применение и в оборонных системах — в качестве ультрачувствительных магнитометров для обнаружения подводных лодок, скрытых объектов или аномалий магнитного поля Земли. Также разрабатываются сверхпроводящие микроволновые фильтры и антенны с высоким качеством и избирательностью, улучшающие работу радаров и систем связи.
Криогенные гироскопы и инерциальная навигация Сверхпроводящие компоненты применяются в высокоточных гироскопах и акселерометрах, используемых в авиационной и космической навигации. Преимущество — в их высокой стабильности и малом дрейфе сигнала. Например, проект Gravity Probe B использовал сверхпроводящие гироскопы для проверки эффектов общей теории относительности.
Сверхпроводящие логические схемы и квантовые компьютеры В области цифровой электроники разрабатываются сверхпроводящие логические элементы, такие как RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), работающие на принципах квантованного магнитного потока. Такие схемы обладают высокой скоростью (до сотен гигагерц) и низким энергопотреблением. Они перспективны для создания высокопроизводительных вычислительных систем, особенно в условиях ограничений по тепловыделению.
Квантовые биты на основе джозефсоновских переходов Квантовые компьютеры используют сверхпроводящие кубиты, реализуемые с помощью джозефсоновских контактов. Эти элементы обладают когерентностью, позволяющей выполнять квантовые логические операции. Компании IBM, Google, Rigetti и др. активно используют такую архитектуру для создания масштабируемых квантовых процессоров. Это направление требует криогенного охлаждения до температур порядка десятков миллиКельвинов, но открывает путь к новым парадигмам обработки информации.
Сверхпроводящие инфракрасные и терагерцовые детекторы Для регистрации слабых сигналов в астрономии и спектроскопии применяются детекторы на основе сверхпроводников — например, болометры с переходом в сверхпроводящее состояние. Они обладают высоким отношением сигнал/шум и чувствительностью к фотонам с энергиями в микровольтном диапазоне.
Тонкоплёночные сверхпроводники в микросхемах Технологии нанесения тонких плёнок из высокотемпературных сверхпроводников (HTS) позволяют изготавливать микросхемы, резонаторы и фильтры для телекоммуникационных систем с минимальными потерями. Особенно перспективны керамические сверхпроводники (например, YBCO), работающие при температуре жидкого азота.
Потенциал сверхпроводников охватывает широкий спектр направлений — от энергетики до вычислений. Однако их широкое внедрение сдерживается рядом факторов: необходимостью охлаждения до крайне низких температур, хрупкостью керамических ВТСП-материалов, трудностями в изготовлении и соединении сверхпроводящих компонентов, а также дороговизной охлаждающей инфраструктуры. Современные исследования сосредоточены на поиске новых сверхпроводящих материалов с более высокими критическими температурами и простыми технологическими свойствами.