Τι θα συμβεί αν… λάβουμε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας; Δεσμοί ελπίδας

Γραμμές μεταφοράς χωρίς απώλειες, ηλεκτρολογική μηχανική χαμηλής θερμοκρασίας, υπερηλεκτρομαγνήτες, τελικά ήπια συμπίεση εκατομμυρίων βαθμών πλάσματος σε θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες, μια αθόρυβη και γρήγορη ράγα maglev. Έχουμε τόσες πολλές ελπίδες για υπεραγωγούς...

Υπεραγωγιμότητα ονομάζεται η υλική κατάσταση της μηδενικής ηλεκτρικής αντίστασης. Αυτό επιτυγχάνεται σε ορισμένα υλικά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Ανακάλυψε αυτό το κβαντικό φαινόμενο Camerling Onnes (1) στον υδράργυρο, το 1911. Η κλασική φυσική αποτυγχάνει να το περιγράψει. Εκτός από τη μηδενική αντίσταση, ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό των υπεραγωγών είναι σπρώξτε το μαγνητικό πεδίο από τον όγκο τουτο λεγόμενο φαινόμενο Meissner (σε υπεραγωγούς τύπου Ι) ή η εστίαση του μαγνητικού πεδίου σε «δίνες» (σε υπεραγωγούς τύπου II).

Οι περισσότεροι υπεραγωγοί λειτουργούν μόνο σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αναφέρεται ότι είναι 0 Kelvin (-273,15 °C). Η κίνηση των ατόμων σε αυτή τη θερμοκρασία είναι σχεδόν ανύπαρκτο. Αυτό είναι το κλειδί για τους υπεραγωγούς. Ως συνήθως ηλεκτρόνια που κινούνται στον αγωγό συγκρούονται με άλλα δονούμενα άτομα, προκαλώντας απώλεια ενέργειας και αντίσταση. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι η υπεραγωγιμότητα είναι δυνατή σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Σταδιακά, ανακαλύπτουμε υλικά που δείχνουν αυτό το αποτέλεσμα σε χαμηλότερο μείον Κελσίου, και πρόσφατα ακόμη και σε συν. Ωστόσο, αυτό και πάλι συνήθως συνδέεται με την εφαρμογή εξαιρετικά υψηλής πίεσης. Το μεγαλύτερο όνειρο είναι να δημιουργηθεί αυτή η τεχνολογία σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς γιγαντιαία πίεση.

Η φυσική βάση για την εμφάνιση της κατάστασης υπεραγωγιμότητας είναι σχηματισμός ζευγών αρπαγών φορτίου - το λεγομενο Βαρελοποιός. Τέτοια ζεύγη μπορούν να προκύψουν ως αποτέλεσμα της ένωσης δύο ηλεκτρονίων με παρόμοιες ενέργειες. Ενέργεια Fermi, δηλ. η μικρότερη ενέργεια με την οποία θα αυξηθεί η ενέργεια ενός φερμιονικού συστήματος μετά την προσθήκη ενός ακόμη στοιχείου, ακόμη και όταν η ενέργεια της μεταξύ τους αλληλεπίδρασης είναι πολύ μικρή. Αυτό αλλάζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού, αφού οι απλοί φορείς είναι φερμιόνια και τα ζεύγη είναι μποζόνια.

Συνεργάζονται Επομένως, είναι ένα σύστημα δύο φερμιονίων (για παράδειγμα, ηλεκτρονίων) που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω δονήσεων του κρυσταλλικού πλέγματος, που ονομάζονται φωνόνια. Το φαινόμενο έχει περιγραφεί Η Λεόνα συνεργάζεται το 1956 και αποτελεί μέρος της θεωρίας BCS της υπεραγωγιμότητας χαμηλής θερμοκρασίας. Τα φερμιόνια που αποτελούν το ζεύγος Cooper έχουν μισά σπιν (τα οποία κατευθύνονται προς αντίθετες κατευθύνσεις), αλλά το σπιν που προκύπτει του συστήματος είναι γεμάτο, δηλαδή το ζεύγος Cooper είναι ένα μποζόνιο.

Υπεραγωγοί σε ορισμένες θερμοκρασίες είναι ορισμένα στοιχεία, για παράδειγμα, κάδμιο, κασσίτερος, αλουμίνιο, ιρίδιο, πλατίνα, άλλα περνούν σε κατάσταση υπεραγωγιμότητας μόνο σε πολύ υψηλή πίεση (για παράδειγμα, οξυγόνο, φώσφορος, θείο, γερμάνιο, λίθιο) ή μορφή λεπτών στρωμάτων (βολφράμιο, βηρύλλιο, χρώμιο) και μερικά μπορεί να μην είναι ακόμη υπεραγώγιμα, όπως ο άργυρος, ο χαλκός, ο χρυσός, τα ευγενή αέρια, το υδρογόνο, αν και ο χρυσός, ο άργυρος και ο χαλκός είναι από τους καλύτερους αγωγούς σε θερμοκρασία δωματίου.

Η «υψηλή θερμοκρασία» απαιτεί ακόμα πολύ χαμηλές θερμοκρασίες

Σε 1964 έτους William A. Little πρότεινε την πιθανότητα ύπαρξης υπεραγωγιμότητας σε υψηλή θερμοκρασία οργανικά πολυμερή. Αυτή η πρόταση βασίζεται στο ζεύγος ηλεκτρονίων με τη μεσολάβηση εξιτονίων σε αντίθεση με το ζευγάρωμα με τη μεσολάβηση φωνονίων στη θεωρία BCS. Ο όρος «υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας» έχει χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει μια νέα οικογένεια κεραμικών περοβσκίτη που ανακαλύφθηκε από τους Johannes G. Bednorz και C.A. Müller το 1986, για το οποίο έλαβαν το βραβείο Νόμπελ. Αυτοί οι νέοι κεραμικοί υπεραγωγοί (2) κατασκευάστηκαν από χαλκό και οξυγόνο αναμεμειγμένα με άλλα στοιχεία όπως το λανθάνιο, το βάριο και το βισμούθιο.

2. Κεραμική πλάκα που αιωρείται πάνω από ισχυρούς μαγνήτες

Από την άποψή μας, η υπεραγωγιμότητα «υψηλής θερμοκρασίας» ήταν ακόμα πολύ χαμηλή. Για κανονικές πιέσεις, το όριο ήταν -140°C, και ακόμη και τέτοιοι υπεραγωγοί ονομάζονταν "υψηλές θερμοκρασίες". Η θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας των -70°C για το υδρόθειο έχει επιτευχθεί σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις. Ωστόσο, οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας απαιτούν σχετικά φθηνό υγρό άζωτο αντί για υγρό ήλιο για ψύξη, κάτι που είναι απαραίτητο.

Από την άλλη πλευρά, είναι κυρίως εύθραυστο κεραμικό, όχι πολύ πρακτικό για χρήση σε ηλεκτρικά συστήματα.

Οι επιστήμονες εξακολουθούν να πιστεύουν ότι υπάρχει μια καλύτερη επιλογή που περιμένει να ανακαλυφθεί, ένα υπέροχο νέο υλικό που θα πληροί κριτήρια όπως π.χ. υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίουπροσιτό και πρακτικό στη χρήση. Ορισμένες έρευνες έχουν επικεντρωθεί στον χαλκό, έναν σύνθετο κρύσταλλο που περιέχει στρώματα ατόμων χαλκού και οξυγόνου. Η έρευνα συνεχίζεται σε ορισμένες ανώμαλες αλλά επιστημονικά ανεξήγητες αναφορές ότι ο εμποτισμένος με νερό γραφίτης μπορεί να λειτουργήσει ως υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου.

Τα τελευταία χρόνια υπήρξε μια πραγματική ροή «επαναστάσεων», «ανακαλύψεων» και «νέων κεφαλαίων» στον τομέα της υπεραγωγιμότητας σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Τον Οκτώβριο του 2020, αναφέρθηκε υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου (στους 15°C). υδρίδιο δισουλφιδίου του άνθρακα (3), ωστόσο, σε πολύ υψηλή πίεση (267 GPa) που παράγεται από το πράσινο λέιζερ. Το Άγιο Δισκοπότηρο, το οποίο θα ήταν ένα σχετικά φθηνό υλικό που θα ήταν υπεραγώγιμο σε θερμοκρασία δωματίου και κανονική πίεση, δεν έχει βρεθεί ακόμη.

3. Υλικό με βάση τον άνθρακα που είναι υπεραγώγιμο στους 15°C.

Η Αυγή της Μαγνητικής Εποχής

Η απαρίθμηση των πιθανών εφαρμογών υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας μπορεί να ξεκινήσει με ηλεκτρονικά και τεχνολογία υπολογιστών, λογικές συσκευές, στοιχεία μνήμης, διακόπτες και συνδέσεις, γεννήτριες, ενισχυτές, επιταχυντές σωματιδίων. Επόμενος στη λίστα: συσκευές υψηλής ευαισθησίας για τη μέτρηση μαγνητικών πεδίων, τάσεων ή ρευμάτων, μαγνήτες για Ιατρικές συσκευές μαγνητικής τομογραφίας, συσκευές αποθήκευσης μαγνητικής ενέργειας, αιωρούμενα τρένα με σφαίρες, κινητήρες, γεννήτριες, μετασχηματιστές και ηλεκτροφόρα καλώδια. Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτών των ονειρεμένων υπεραγώγιμων συσκευών θα είναι η χαμηλή απαγωγή ισχύος, η λειτουργία υψηλής ταχύτητας και εξαιρετική ευαισθησία.

για υπεραγωγούς. Υπάρχει λόγος για τον οποίο οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής κατασκευάζονται συχνά κοντά σε πολυσύχναστες πόλεις. Ακόμα και 30 τοις εκατό. που δημιουργήθηκε από αυτούς Ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χαθεί στις γραμμές μεταφοράς. Αυτό είναι ένα κοινό πρόβλημα με τις ηλεκτρικές συσκευές. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας πηγαίνει στη θερμότητα. Επομένως, ένα σημαντικό μέρος της επιφάνειας του υπολογιστή αφιερώνεται σε εξαρτήματα ψύξης που βοηθούν στη διάχυση της θερμότητας που παράγεται από τα κυκλώματα.

Οι υπεραγωγοί λύνουν το πρόβλημα των απωλειών ενέργειας για τη θερμότητα. Στο πλαίσιο πειραμάτων, οι επιστήμονες, για παράδειγμα, καταφέρνουν να κερδίζουν τα προς το ζην ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στον υπεραγώγιμο δακτύλιο πάνω από δύο χρόνια. Και αυτό χωρίς πρόσθετη ενέργεια.

Ο μόνος λόγος που το ρεύμα σταμάτησε ήταν επειδή δεν υπήρχε πρόσβαση σε υγρό ήλιο, όχι επειδή το ρεύμα δεν μπορούσε να συνεχίσει να ρέει. Τα πειράματά μας μας οδηγούν να πιστεύουμε ότι τα ρεύματα σε υπεραγώγιμα υλικά μπορούν να ρέουν για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, αν όχι περισσότερα. Το ηλεκτρικό ρεύμα στους υπεραγωγούς μπορεί να ρέει για πάντα, μεταφέροντας ενέργεια δωρεάν.

в καμία αντίσταση ένα τεράστιο ρεύμα θα μπορούσε να ρέει μέσα από το υπεραγώγιμο σύρμα, το οποίο με τη σειρά του δημιούργησε μαγνητικά πεδία απίστευτης ισχύος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αιώρηση τρένων maglev (4), τα οποία μπορούν ήδη να φτάσουν ταχύτητες έως και 600 km/h και βασίζονται σε υπεραγώγιμοι μαγνήτες. Ή χρησιμοποιήστε τα σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας, αντικαθιστώντας τις παραδοσιακές μεθόδους στις οποίες οι στρόβιλοι περιστρέφονται σε μαγνητικά πεδία για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Ισχυροί υπεραγώγιμοι μαγνήτες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον έλεγχο της αντίδρασης σύντηξης. Ένα υπεραγώγιμο σύρμα μπορεί να λειτουργήσει ως ιδανική συσκευή αποθήκευσης ενέργειας, αντί για μπαταρία, και το δυναμικό στο σύστημα θα διατηρηθεί για χίλια εκατομμύρια χρόνια.

Στους κβαντικούς υπολογιστές, μπορείτε να ρέετε δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα σε έναν υπεραγωγό. Οι κινητήρες πλοίων και αυτοκινήτων θα ήταν δέκα φορές μικρότεροι από ό,τι είναι σήμερα και ακριβά ιατρικά διαγνωστικά μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας θα χωρούσαν στην παλάμη του χεριού σας. Συλλέγεται από αγροκτήματα στις απέραντες ερήμους σε όλο τον κόσμο, η ηλιακή ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί και να μεταφερθεί χωρίς καμία απώλεια.

4. Ιαπωνικό τρένο Maglev

Σύμφωνα με τον φυσικό και διάσημο εκλαϊκευτή της επιστήμης, Kakuτεχνολογίες όπως οι υπεραγωγοί θα εγκαινιάσουν μια νέα εποχή. Αν ζούσαμε ακόμα στην εποχή του ηλεκτρισμού, οι υπεραγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου θα έφερναν μαζί τους την εποχή του μαγνητισμού.