Što ako… dobijemo visokotemperaturne supravodiče? Vezi nade

Prijenosni vodovi bez gubitaka, niskotemperaturna elektrotehnika, superelektromagneti, konačno nježno sabijanje milijuna stupnjeva plazme u termonuklearnim reaktorima, tiha i brza maglev tračnica. Toliko se nadamo supravodnicima...

Superprovodljivost materijalno stanje nulte električne otpornosti naziva se. To se u nekim materijalima postiže na vrlo niskim temperaturama. On je otkrio ovaj kvantni fenomen Kamerling Onnes (1) u živi, ​​1911. Klasična fizika to ne uspijeva opisati. Osim nulte otpornosti, još jedna važna značajka supravodiča je potisnuti magnetsko polje iz njegovog volumenatakozvani Meissnerov efekt (kod supravodiča tipa I) ili fokusiranje magnetskog polja u "vrtloge" (kod supravodiča tipa II).

Većina supravodiča radi samo na temperaturama blizu apsolutne nule. Izvještava se da je 0 Kelvina (-273,15 °C). Kretanje atoma na ovoj temperaturi gotovo da i ne postoji. Ovo je ključ za supravodiče. Normalno, redovno elektroni koji se kreću u vodiču sudaraju se s drugim vibrirajućim atomima, uzrokujući gubitak energije i otpor. Međutim, znamo da je supravodljivost moguća na višim temperaturama. Postupno otkrivamo materijale koji taj učinak pokazuju na nižim minus Celzijusa, a odnedavno i na plusu. Međutim, to je opet obično povezano s primjenom iznimno visokog tlaka. Najveći san je stvoriti ovu tehnologiju na sobnoj temperaturi bez gigantskog pritiska.

Fizička osnova za pojavu stanja supravodljivosti je formiranje parova hvatača tereta - takozvani Cooper. Takvi parovi mogu nastati kao rezultat sjedinjenja dvaju elektrona sličnih energija. Fermijeva energija, tj. najmanja energija za koju će se energija fermionskog sustava povećati nakon dodavanja još jednog elementa, čak i kada je energija interakcije koja ih veže vrlo mala. To mijenja električna svojstva materijala, budući da su pojedinačni nosači fermioni, a parovi bozoni.

Surađivati dakle, to je sustav dvaju fermiona (na primjer, elektrona) koji međusobno djeluju vibracijama kristalne rešetke, nazvanim fononima. Fenomen je opisan Leona surađuje 1956. i dio je BCS teorije niskotemperaturne supravodljivosti. Fermioni koji čine Cooperov par imaju polovične okrete (koji su usmjereni u suprotnim smjerovima), ali je rezultirajući spin sustava pun, odnosno Cooperov par je bozon.

Supervodiči na određenim temperaturama su neki elementi, na primjer kadmij, kositar, aluminij, iridij, platina, drugi prelaze u stanje supravodljivosti samo pri vrlo visokom tlaku (npr. kisik, fosfor, sumpor, germanij, litij) ili u obliku tankih slojeva (volfram, berilij, krom), a neki možda još nisu supravodljivi, kao što su srebro, bakar, zlato, plemeniti plinovi, vodik, iako su zlato, srebro i bakar među najboljim vodičima na sobnoj temperaturi.

"Visoka temperatura" još uvijek zahtijeva vrlo niske temperature

U 1964 godine William A. Little sugerirao je mogućnost postojanja visokotemperaturne supravodljivosti u organski polimeri. Ovaj prijedlog temelji se na sparivanju elektrona posredovanom ekscitonom za razliku od uparivanja posredovanog fononima u BCS teoriji. Izraz "supervodiči visoke temperature" korišten je za opisivanje nove obitelji keramike sa strukturom perovskita koju su otkrili Johannes G. Bednorz i C.A. Müllera 1986. za što su dobili Nobelovu nagradu. Ovi novi keramički supravodiči (2) izrađeni su od bakra i kisika pomiješanih s drugim elementima kao što su lantan, barij i bizmut.

2. Keramička ploča koja lebdi iznad snažnih magneta

S naše točke gledišta, "visokotemperaturna" supravodljivost je još uvijek bila vrlo niska. Za normalne tlakove granica je bila -140°C, a čak su se i takvi supravodici nazivali "visokotemperaturni". Temperatura supravodljivosti od -70°C za sumporovodik postignuta je pri ekstremno visokim tlakovima. Međutim, visokotemperaturni supravodiči zahtijevaju relativno jeftin tekući dušik, a ne tekući helij za hlađenje, što je bitno.

S druge strane, to je uglavnom lomljiva keramika, ne baš praktična za korištenje u električnim sustavima.

Znanstvenici i dalje vjeruju da postoji bolja opcija koja čeka da bude otkrivena, prekrasan novi materijal koji će zadovoljiti kriterije kao što su supravodljivost na sobnoj temperaturipristupačne i praktične za korištenje. Neka istraživanja usredotočila su se na bakar, složeni kristal koji sadrži slojeve atoma bakra i kisika. Istraživanja se nastavljaju na nekim anomalnim, ali znanstveno neobjašnjivim izvješćima da grafit natopljen vodom može djelovati kao supravodič na sobnoj temperaturi.

Posljednje godine bile su prava struja "revolucija", "proboja" i "novih poglavlja" u području supravodljivosti na višim temperaturama. U listopadu 2020. zabilježena je supravodljivost na sobnoj temperaturi (na 15°C). ugljični disulfid hidrid (3), međutim, pri vrlo visokom tlaku (267 GPa) koji stvara zeleni laser. Sveti gral, koji bi bio relativno jeftin materijal koji bi bio supravodljiv na sobnoj temperaturi i normalnom tlaku, tek treba pronaći.

3. Materijal na bazi ugljika supravodljiv na 15°C.

Zora magnetskog doba

Nabrajanje mogućih primjena visokotemperaturnih supravodiča može započeti elektronikom i računalima, logičkim uređajima, memorijskim elementima, sklopkama i spojevima, generatorima, pojačalima, akceleratorima čestica. Sljedeći na listi: visokoosjetljivi uređaji za mjerenje magnetskih polja, napona ili struja, magneti za MRI medicinski uređaji, uređaji za pohranu magnetske energije, lebdeći vlakovi metaka, motori, generatori, transformatori i dalekovodi. Glavne prednosti ovih supravodljivih uređaja iz snova bit će mala disipacija snage, velika brzina rada i ekstremna osjetljivost.

za supravodiče. Postoji razlog zašto se elektrane često grade u blizini prometnih gradova. Čak 30 posto. koju su stvorili Električna energija može se izgubiti na dalekovodima. Ovo je čest problem s električnim uređajima. Većina energije odlazi na toplinu. Stoga je značajan dio površine računala rezerviran za dijelove za hlađenje koji pomažu u raspršivanju topline koju stvaraju strujni krugovi.

Supervodiči rješavaju problem gubitaka energije za toplinu. U sklopu eksperimenata znanstvenici, primjerice, uspijevaju zaraditi za život električna struja unutar supravodljivog prstena preko dvije godine. I to bez dodatne energije.

Jedini razlog zašto je struja prestala je zato što nije bilo pristupa tekućem heliju, a ne zato što struja nije mogla nastaviti teći. Naši eksperimenti navode nas na uvjerenje da struje u supravodljivim materijalima mogu teći stotinama tisuća godina, ako ne i više. Električna struja u supravodičima može teći zauvijek, prenoseći energiju besplatno.

в nema otpora ogromna struja mogla bi teći kroz supravodljivu žicu, koja je zauzvrat stvarala magnetska polja nevjerojatne snage. Mogu se koristiti za levitaciju maglev vlakova (4), koji već mogu postići brzine do 600 km/h, a temelje se na supravodljivi magneti. Ili ih koristite u elektranama, zamjenjujući tradicionalne metode u kojima se turbine vrte u magnetskim poljima za proizvodnju električne energije. Snažni supravodljivi magneti mogli bi pomoći u kontroli fuzijske reakcije. Supervodljiva žica može djelovati kao idealan uređaj za pohranu energije, a ne kao baterija, a potencijal u sustavu bit će očuvan tisuću i milijun godina.

U kvantnim računalima možete teći u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu u supravodiču. Brodski i automobilski motori bili bi deset puta manji nego danas, a skupi medicinski dijagnostički MRI aparati stali bi na dlan. Prikupljena s farmi u ogromnim pustinjskim pustinjama diljem svijeta, solarna energija može se pohraniti i prenijeti bez ikakvih gubitaka.

4. Japanski maglev vlak

Prema fizičaru i poznatom popularizatoru znanosti, Kakutehnologije kao što su supravodiči uvest će novu eru. Da još uvijek živimo u eri elektriciteta, supravodiči na sobnoj temperaturi donijeli bi sa sobom eru magnetizma.