Čo ak...dostaneme vysokoteplotné supravodiče? Zväzky nádeje
Bezstratové prenosové vedenia, nízkoteplotná elektrotechnika, superelektromagnety, napokon jemne stláčajúce milióny stupňov plazmy v termonukleárnych reaktoroch, tichá a rýchla maglevová koľajnica. V supravodiče vkladáme toľko nádejí...
Supravodivosť materiálny stav nulového elektrického odporu sa nazýva. To sa pri niektorých materiáloch dosahuje pri veľmi nízkych teplotách. Objavil tento kvantový jav Kamerling Onnes (1) v ortuti, v roku 1911. Klasická fyzika to nedokáže opísať. Okrem nulového odporu je ďalšou dôležitou vlastnosťou supravodičov vytlačte magnetické pole z jeho objemutakzvaný Meissnerov efekt (u supravodičov typu I) alebo zameranie magnetického poľa do „vírov“ (u supravodičov typu II).
Väčšina supravodičov funguje len pri teplotách blízkych absolútnej nule. Uvádza sa 0 Kelvinov (-273,15 °C). Pohyb atómov pri tejto teplote takmer neexistuje. Toto je kľúč k supravodičom. Ako zvyčajne elektróny pohybujúce sa vo vodiči kolidujú s inými vibrujúcimi atómami, čo spôsobuje strata energie a odpor. Vieme však, že supravodivosť je možná pri vyšších teplotách. Postupne objavujeme materiály, ktoré tento efekt vykazujú pri nižšom mínus stupňoch Celzia a v poslednom čase aj pri pluse. To je však opäť zvyčajne spojené s aplikáciou extrémne vysokého tlaku. Najväčším snom je vytvoriť túto technológiu pri izbovej teplote bez gigantického tlaku.
Fyzikálny základ pre vznik stavu supravodivosti je vytváranie párov lapačov nákladu - takzvaný Cooper. Takéto páry môžu vzniknúť ako výsledok spojenia dvoch elektrónov s podobnými energiami. Fermiho energia, t.j. najmenšia energia, o ktorú sa zvýši energia fermionického systému po pridaní jedného ďalšieho prvku, aj keď je energia interakcie medzi nimi veľmi malá. To mení elektrické vlastnosti materiálu, pretože jednotlivé nosiče sú fermióny a páry sú bozóny.
Spolupracovať ide teda o systém dvoch fermiónov (napríklad elektrónov), ktoré spolu interagujú prostredníctvom vibrácií kryštálovej mriežky, nazývaných fonóny. Tento jav bol opísaný Leona spolupracuje v roku 1956 a je súčasťou BCS teórie nízkoteplotnej supravodivosti. Fermióny, ktoré tvoria Cooperov pár, majú polovičné spiny (ktoré sú nasmerované v opačných smeroch), ale výsledný spin systému je plný, to znamená, že Cooperov pár je bozón.
Supravodiče pri určitých teplotách sú niektoré prvky, napríklad kadmium, cín, hliník, irídium, platina, iné prechádzajú do stavu supravodivosti len pri veľmi vysokom tlaku (napríklad kyslík, fosfor, síra, germánium, lítium) alebo v vo forme tenkých vrstiev (volfrám, berýlium, chróm) a niektoré ešte nemusia byť supravodivé, ako napríklad striebro, meď, zlato, vzácne plyny, vodík, hoci zlato, striebro a meď patria medzi najlepšie vodiče pri izbovej teplote.
"Vysoká teplota" stále vyžaduje veľmi nízke teploty
V 1964 roku William A. Little naznačil možnosť existencie vysokoteplotnej supravodivosti v organické polyméry. Tento návrh je založený na párovaní elektrónov sprostredkovanom excitónom na rozdiel od párovania sprostredkovaného fonónmi v teórii BCS. Termín "vysokoteplotné supravodiče" bol použitý na opis novej rodiny perovskitovej keramiky objavenej Johannesom G. Bednorzom a C.A. Müllera v roku 1986, za čo dostali Nobelovu cenu. Tieto nové keramické supravodiče (2) boli vyrobené z medi a kyslíka zmiešaných s ďalšími prvkami, ako je lantán, bárium a bizmut.
2. Keramická platňa vznášajúca sa nad silnými magnetmi
Z nášho pohľadu bola „vysokoteplotná“ supravodivosť stále veľmi nízka. Pre normálne tlaky bola hranica -140°C a aj takéto supravodiče sa nazývali "vysokoteplotné". Teplota supravodivosti -70 °C pre sírovodík bola dosiahnutá pri extrémne vysokých tlakoch. Vysokoteplotné supravodiče však vyžadujú na chladenie relatívne lacný tekutý dusík a nie tekuté hélium, čo je nevyhnutné.
Na druhej strane je to väčšinou krehká keramika, nie príliš praktická na použitie v elektrických systémoch.
Vedci stále veria, že existuje lepšia možnosť, ktorá čaká na objavenie, úžasný nový materiál, ktorý bude spĺňať kritériá ako napr supravodivosť pri izbovej teplotecenovo dostupné a praktické na použitie. Niektoré výskumy sa zamerali na meď, komplexný kryštál, ktorý obsahuje vrstvy medi a atómov kyslíka. Pokračuje výskum niektorých anomálnych, ale vedecky nevysvetliteľných správ, že vodou nasiaknutý grafit môže pôsobiť ako supravodič pri izbovej teplote.
Posledné roky boli skutočným prúdom „revolúcií“, „prelomov“ a „nových kapitol“ v oblasti supravodivosti pri vyšších teplotách. V októbri 2020 bola hlásená supravodivosť pri izbovej teplote (pri 15 °C). sírouhlík hydrid (3), avšak pri veľmi vysokom tlaku (267 GPa) generovanom zeleným laserom. Svätý grál, ktorý by bol relatívne lacným materiálom, ktorý by bol pri izbovej teplote a normálnom tlaku supravodivý, sa zatiaľ nepodarilo nájsť.
3. Materiál na báze uhlíka, ktorý je supravodivý pri 15°C.
Úsvit magnetického veku
Výpočet možných aplikácií vysokoteplotných supravodičov môže začať elektronikou a výpočtovou technikou, logickými zariadeniami, pamäťovými prvkami, spínačmi a spojmi, generátormi, zosilňovačmi, urýchľovačmi častíc. Ďalej na zozname: vysoko citlivé prístroje na meranie magnetických polí, napätí alebo prúdov, magnety pre MRI lekárske prístroje, magnetické zásobníky energie, levitujúce vlaky, motory, generátory, transformátory a elektrické vedenia. Hlavnými výhodami týchto vysnívaných supravodivých zariadení bude nízky stratový výkon, vysoká rýchlosť prevádzky a extrémna citlivosť.
pre supravodiče. Existuje dôvod, prečo sa elektrárne často stavajú v blízkosti rušných miest. Aj 30 percent. nimi vytvorené Elektrická energia môže sa stratiť na prenosových linkách. Ide o bežný problém elektrických spotrebičov. Väčšina energie ide do tepla. Preto je značná časť povrchu počítača vyhradená pre chladiace časti, ktoré pomáhajú odvádzať teplo generované obvodmi.
Supravodiče riešia problém strát energie na teplo. V rámci experimentov sa vedcom darí zarábať napríklad na živobytie elektrický prúd vo vnútri supravodivého prstenca viac ako dva roky. A to bez ďalšej energie.
Jediný dôvod, prečo sa prúd zastavil, bolo, že nebol prístup ku kvapalnému héliu, nie preto, že by prúd nemohol ďalej tiecť. Naše experimenty nás vedú k presvedčeniu, že prúdy v supravodivých materiáloch môžu prúdiť stovky tisíc rokov, ak nie viac. Elektrický prúd v supravodičoch môže prúdiť navždy, pričom energiu prenáša zadarmo.
в žiadny odpor supravodivým drôtom mohol pretekať obrovský prúd, ktorý zase generoval magnetické polia neuveriteľnej sily. Môžu byť použité na levitovanie vlakov maglev (4), ktoré už dokážu dosiahnuť rýchlosť až 600 km/h a sú založené na supravodivé magnety. Alebo ich použite v elektrárňach, čím nahradia tradičné metódy, pri ktorých sa turbíny otáčajú v magnetických poliach na výrobu elektriny. Výkonné supravodivé magnety by mohli pomôcť kontrolovať fúznu reakciu. Supravodivý drôt môže pôsobiť ako ideálne zariadenie na ukladanie energie, a nie ako batéria, a potenciál v systéme bude zachovaný na tisíc a milión rokov.
V kvantových počítačoch môžete v supravodiči prúdiť v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek. Lodné a automobilové motory by boli desaťkrát menšie ako dnes a drahé lekárske diagnostické prístroje na magnetickú rezonanciu by sa zmestili do dlane. Slnečná energia získaná z fariem v rozľahlých púštnych púšťach po celom svete sa dá skladovať a prenášať bez akýchkoľvek strát.
4. Japonský vlak maglev
Podľa fyzika a slávneho popularizátora vedy, Kakutechnológie, ako sú supravodiče, ohlásia novú éru. Ak by sme ešte žili v ére elektriny, supravodiče pri izbovej teplote by so sebou priniesli éru magnetizmu.
