Šta ako… dobijemo superprovodnike visoke temperature? Vezi nade

Prenosne linije bez gubitaka, niskotemperaturna elektrotehnika, superelektromagneti, konačno nežno kompresuju milione stepeni plazme u termonuklearnim reaktorima, tiha i brza maglev šina. Imamo toliko nade u superprovodnike...

Superprovodljivost materijalno stanje nulte električne otpornosti naziva se. To se postiže kod nekih materijala na vrlo niskim temperaturama. On je otkrio ovaj kvantni fenomen Kamerling Onnes (1) u živi, ​​1911. Klasična fizika to ne uspijeva opisati. Pored nulte otpornosti, još jedna važna karakteristika supravodnika je potisnuti magnetno polje iz njegove zapreminetakozvani Meissnerov efekat (kod supravodiča tipa I) ili fokusiranje magnetnog polja u "vrtloge" (kod supravodiča tipa II).

Većina superprovodnika 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 superprovodnike. Kao obično elektroni koji se kreću u provodniku sudaraju se s drugim vibrirajućim atomima, uzrokujući gubitak energije i otpor. Međutim, znamo da je supravodljivost moguća na višim temperaturama. Postepeno otkrivamo materijale koji pokazuju ovaj efekat na nižim minus Celzijusa, a odnedavno i na plus. Međutim, ovo je opet obično povezano s primjenom izuzetno visokog pritiska. Najveći san je stvoriti ovu tehnologiju na sobnoj temperaturi bez gigantskog pritiska.

Fizička osnova za nastanak stanja supravodljivosti je formiranje parova hvatača tereta - tzv Cooper. Takvi parovi mogu nastati kao rezultat ujedinjenja dva elektrona sa sličnim energijama. Fermi energija, tj. najmanja energija za koju će se povećati energija fermionskog sistema nakon dodavanja još jednog elementa, čak i kada je energija interakcije između njih vrlo mala. Ovo mijenja električna svojstva materijala, budući da su pojedinačni nosači fermioni, a parovi bozoni.

Surađivati dakle, to je sistem od dva fermiona (na primjer, elektrona) koji međusobno djeluju kroz vibracije kristalne rešetke, zvane fononi. Fenomen je opisan Leona sarađuje 1956. godine i dio je BCS teorije supravodljivosti na niskim temperaturama. Fermioni koji čine Cooperov par imaju polovične spinove (koji su usmjereni u suprotnim smjerovima), ali je rezultirajući spin sistema pun, odnosno Cooperov par je bozon.

Superprovodnici na određenim temperaturama su neki elementi, na primjer kadmijum, kositar, aluminij, iridij, platina, drugi prelaze u stanje supravodljivosti samo pri vrlo visokom pritisku (na primjer kisik, fosfor, sumpor, germanij, litijum) ili u u obliku tankih slojeva (volfram, berilijum, hrom), a neki možda još nisu supravodljivi, kao što su srebro, bakar, zlato, plemeniti gasovi, vodonik, iako su zlato, srebro i bakar među najboljim provodnicima na sobnoj temperaturi.

„Visoka temperatura“ i dalje zahteva veoma niske temperature

U 1964 godina William A. Little sugerirao je mogućnost postojanja visokotemperaturne supravodljivosti u organskih polimera. Ovaj prijedlog se zasniva na uparivanju elektrona posredovanom ekscitonom za razliku od uparivanja posredovanog fononima u BCS teoriji. Termin "superprovodnici visoke temperature" korišten je za opisivanje nove porodice perovskitne keramike koju su otkrili Johannes G. Bednorz i C.A. Müllera 1986. godine, za što su dobili Nobelovu nagradu. Ovi novi keramički superprovodnici (2) napravljeni su od bakra i kiseonika pomešanih sa drugim elementima kao što su lantan, barijum i bizmut.

2. Keramička ploča koja lebdi iznad moćnih magneta

Sa naše tačke gledišta, "visokotemperaturna" supravodljivost je i dalje bila veoma niska. Za normalne pritiske granica je bila -140°C, a čak su i takvi superprovodnici nazivani "visokotemperaturni". Temperatura supravodljivosti od -70°C za vodonik sulfid je postignuta pri ekstremno visokim pritiscima. Međutim, visokotemperaturni supravodnici zahtijevaju relativno jeftin tekući dušik, a ne tekući helij za hlađenje, što je bitno.

S druge strane, to je uglavnom lomljiva keramika, nije baš praktična za upotrebu u električnim sistemima.

Naučnici i dalje vjeruju da postoji bolja opcija koja čeka da bude otkrivena, divan novi materijal koji će zadovoljiti kriterije kao što su superprovodljivost na sobnoj temperaturipristupačne i praktične za upotrebu. Neka istraživanja su se fokusirala na bakar, složeni kristal koji sadrži slojeve atoma bakra i kiseonika. Istraživanja se nastavljaju na nekim anomalnim, ali znanstveno neobjašnjivim izvještajima da grafit natopljen vodom može djelovati kao supravodnik na sobnoj temperaturi.

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

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

Zora magnetskog doba

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

za superprovodnike. Postoji razlog zašto se elektrane često grade u blizini prometnih gradova. Čak 30 posto. koju su kreirali Električna energija može se izgubiti na dalekovodima. Ovo je čest problem kod električnih uređaja. Većina energije odlazi na grijanje. Stoga je značajan dio površine računala rezerviran za dijelove za hlađenje koji pomažu u rasipanju topline koju stvaraju kola.

Superprovodnici rješavaju problem gubitaka energije za toplinu. U sklopu eksperimenata, naučnici, na primjer, uspijevaju zaraditi za život električna struja unutar supravodljivog prstena preko dvije godine. I to bez dodatne energije.

Jedini razlog zašto je struja stala je zato što nije bilo pristupa tekućem helijumu, a ne zato što struja nije mogla nastaviti da teče. Naši eksperimenti nas navode da vjerujemo da struje u supravodljivim materijalima mogu teći stotinama hiljada godina, ako ne i više. Električna struja u superprovodnicima može teći zauvijek, prenoseći energiju besplatno.

в nema otpora ogromna struja mogla bi teći kroz supravodljivu žicu, koja je zauzvrat stvarala magnetna polja nevjerovatne snage. Mogu se koristiti za levitaciju maglev vozova (4), koji već mogu dostići brzine do 600 km/h, a baziraju se na supravodljivi magneti. Ili ih koristite u elektranama, zamjenjujući tradicionalne metode u kojima se turbine okreću u magnetnim poljima za proizvodnju električne energije. Snažni supravodljivi magneti mogli bi pomoći u kontroli reakcije fuzije. Superprovodna žica može djelovati kao idealan uređaj za skladištenje energije, a ne kao baterija, a potencijal u sistemu će biti očuvan hiljadu i milion godina.

U kvantnim računarima, možete teći u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu u supravodniku. Brodski i automobilski motori bili bi deset puta manji nego danas, a skupi medicinski dijagnostički MRI aparati stajali bi na dlanu. Prikupljena sa farmi u ogromnim pustinjskim pustinjama širom svijeta, solarna energija može se skladištiti i prenositi bez ikakvih gubitaka.

4. Japanski maglev voz

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