Supravodivost při vysoké teplotě

Supravodiče měly zpočátku velmi omezené použití, protože jejich provozní teplota by neměla překročit 20 K (-253 ° C). Například teplota kapalného hélia při 4,2 K (-268,8 ° C) je pro supravodič dobře vhodná, ale chlazení a udržování takové nízké teploty vyžaduje hodně energie, což je technicky velmi problematické.

Vysokoteplotní supravodiče objevené v roce 1986 Karlem Müllerem a Georgem Bednoretem vykázaly kritickou teplotu mnohem vyšší a teplota kapalného dusíku při 75 K (-198 ° C) pro takové vodiče je dostačující pro provoz. Kromě toho je dusík jako chladivo mnohem levnější než helium.

Na začátku roku 1987 byl objeven "skok vodivosti téměř na nulu" při teplotě 36 K (-237 ° C) pro sloučeniny lanthanu, stroncia, mědi a kyslíku (La - Sr - Cu - O). Poté byla poprvé objevena vlastnost sloučenin yttria, barya, mědi a kyslíku (Y - Ba - Cu - O), které mají supravodivé vlastnosti při teplotě 77,4 K (-195,6 ° C) nad teplotou varu kapalného dusíku.

V roce 2003 byla objevena keramická sloučenina Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), která má kritickou teplotu 138 K (-135 ° C) a dosahuje 166 K (-107 ° C) při tlaku 400 kbar; a v roce 2015 byl stanoven nový rekord pro sirovodík (H2S), který se stal supravodičem při tlaku 100 GPa, při teplotě nepřesahující 203 K (-70 ° C).

Supravodivost jako fyzický jev, nejprve na mikroskopické úrovni, byla vysvětlena v práci amerických fyziků Johna Bardin, Leon Cooper a John Shriffer v roce 1957. Jejich teorie byla založena na konceptu tzv. Cooperových elektronových párů a teorie samotná byla nazývána teorií BCS, podle prvních písmen jmen svých autorů, a dodnes je tato makroskopická teorie supravodičů dominantní.

Podle této teorie korelují stavy elektronů Cooperových párů s opačnými rotacemi a momenty. Současně teorie použila tzv. Transformace Nikolaje Bogolyubov, který ukázal, že supravodivost lze považovat za proces superfluidity elektronového plynu.

Blízko Fermiho povrchu mohou být elektrony účinně přitahovány vzájemnou interakcí prostřednictvím fononů a přitahovány jsou pouze ty elektrony, jejichž energie se liší od energie elektronů na Fermiho povrchu nejvýše hVd (zde Vd je Debyeova frekvence) a zbytek elektronů neinteraguje.

Interakce elektronů a jejich kombinace do Cooperových párů. Tyto páry mají některé vlastnosti charakteristické pro bosony a bosony se mohou ochladit po přechodu do jediného kvantového stavu. Díky této vlastnosti se tedy páry mohou pohybovat, aniž by se střetávaly s mřížkou nebo jinými elektrony, tj. Cooperovy páry se pohybují bez ztráty energie.

V praxi poskytují vysokoteplotní supravodiče přenos beze ztrát energie, díky čemuž je jejich zavedení a použití v budoucnosti užitečné a efektivní. Výkonové kabely, transformátory, elektrické stroje, skladování indukční energie s neomezenou životností, omezovače proudu atd. - supravodiče s vysokou teplotou jsou všude v elektrotechnice použitelné.

Rozměry se sníží, sníží se ztráty, zvýší se účinnost výroby, přenosu a distribuce elektrické energie jako celku. Transformátory bude mít nižší hmotnost a velmi nízké ztráty ve srovnání s transformátory s konvenčními vinutími. Supravodivé transformátory budou šetrné k životnímu prostředí, nebudou muset být chlazeny a v případě přetížení bude proud omezen.

Supravodivé omezovače proudu jsou méně inerciální. Když zapnete zařízení na ukládání energie a supravodivé generátory v elektrických sítích, zvýší se jejich stabilita. Napájení megacit bude prováděno pomocí supravodivých podzemních kabelů, které mohou vést až 5krát více proudu, a pokládka takových kabelů významně ušetří městské oblasti, protože kabely budou ve srovnání s těmi, které se dnes používají, kompaktnější.

Výpočty ukazují, že například vybudování elektrického vedení pro 1 GW při napětí 154 kV, pokud budou použity supravodivé kabely, bude stát o 38% levnější, než kdyby byl realizován pomocí standardní technologie. A to s ohledem na konstrukci a instalaci, protože požadovaný počet závitů je menší, celkový počet kabelů je menší a vnitřní průměr potrubí je také menší.

Je pozoruhodné, že značný výkon může být přenášen supravodivým kabelem i při nízkém napětí, což snižuje elektromagnetické znečištění, a to platí pro hustě obydlené oblasti, kde pokládka vedení vysokého napětí způsobuje obavy, jak mezi ekology, tak mezi veřejností.

Zavedení vysokoteplotních supravodičů do oblasti alternativní energie je také slibné, kde ziskovost není v žádném případě sekundárním faktorem a použití supravodičů zde zvýší účinnost nových zdrojů. Navíc v příštích 20 letech existuje trvalý trend k jejich rychlému rozvoji ve světě.