Supraconductivité à haute température

Initialement, les supraconducteurs avaient une application très limitée, car leur température de fonctionnement ne devait pas dépasser 20K (-253 ° C). Par exemple, la température de l'hélium liquide à 4,2 K (-268,8 ° C) convient bien au supraconducteur pour fonctionner, mais il faut beaucoup d'énergie pour refroidir et maintenir une température aussi basse, ce qui est techniquement très problématique.

Les supraconducteurs à haute température découverts en 1986 par Karl Müller et Georg Bednorets ont montré une température critique beaucoup plus élevée, et la température de l'azote liquide à 75 K (-198 ° C) pour de tels conducteurs est tout à fait suffisante pour le fonctionnement. De plus, l'azote est beaucoup moins cher que l'hélium comme réfrigérant.

La découverte en 1987 d'un "saut de conductivité presque nul" à une température de 36K (-237 ° C) pour les composés du lanthane, du strontium, du cuivre et de l'oxygène (La - Sr - Cu - O) était le début. Ensuite, la propriété des composés d'yttrium, de baryum, de cuivre et d'oxygène (Y - Ba - Cu - O) de présenter des propriétés supraconductrices à une température de 77,4 K (-195,6 ° C) au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide a été découverte pour la première fois.

En 2003, le composé céramique Hg - Ba - Ca - Cu - O (F) a été découvert, qui a une température critique de 138 K (-135 ° C) et atteint 166 K (-107 ° C) à une pression de 400 kbar; et en 2015, un nouveau record a été établi pour le sulfure d'hydrogène (H2S), qui est devenu un supraconducteur à une pression de 100 GPa, à une température ne dépassant pas 203 K (-70 ° C).

La supraconductivité en tant que phénomène physique, d'abord au niveau microscopique, a été expliquée dans les travaux des physiciens américains John Bardin, Leon Cooper et John Shriffer en 1957. Leur théorie était basée sur le concept des soi-disant paires d'électrons Cooper, et la théorie elle-même était appelée la théorie BCS, selon les premières lettres des noms de ses auteurs, et à ce jour cette théorie macroscopique des supraconducteurs est dominante.

Selon cette théorie, les états électroniques des paires de Cooper sont en corrélation avec les spins et les impulsions opposés. Dans le même temps, la théorie a utilisé les soi-disant transformations de Nikolai Bogolyubov, qui ont montré que la supraconductivité peut être considérée comme un processus de superfluidité d'un gaz d'électrons.

Près de la surface de Fermi, les électrons peuvent être efficacement attirés en interagissant les uns avec les autres via les phonons, et seuls les électrons sont attirés dont l'énergie ne diffère pas de l'énergie électronique sur la surface de Fermi de pas plus de hVd (ici Vd est la fréquence Debye), et le reste des électrons n'interagissent pas.

Interaction des électrons et combinaison en paires de Cooper. Ces paires possèdent certaines propriétés caractéristiques des bosons, et les bosons peuvent passer dans un seul état quantique lors du refroidissement. Ainsi, en raison de cette caractéristique, les paires peuvent se déplacer sans entrer en collision avec le réseau ou d'autres électrons, c'est-à-dire que les paires de Cooper se déplacent sans perte d'énergie.

En pratique, les supraconducteurs à haute température assurent une transmission de puissance sans perte, ce qui rend leur introduction et leur utilisation à l'avenir utiles et efficaces. Câbles d'alimentation, transformateurs, machines électriques, stockage d'énergie inductive avec une durée de vie illimitée, limiteurs de courant, etc. - les supraconducteurs haute température sont applicables partout dans l'électrotechnique.

Les dimensions seront réduites, les pertes seront réduites, l'efficacité de la production, de la transmission et de la distribution de l'énergie électrique dans son ensemble augmentera. Transformers aura moins de poids et de très faibles pertes par rapport aux transformateurs à enroulements conventionnels. Les transformateurs supraconducteurs seront respectueux de l'environnement, ils n'auront pas besoin d'être refroidis et en cas de surcharge, le courant sera limité.

Les limiteurs de courant supraconducteurs sont moins inertiels. Lorsque vous allumez des dispositifs de stockage d'énergie et des générateurs supraconducteurs dans des réseaux électriques, leur stabilité augmente. L'alimentation des mégapoles sera réalisée au moyen de câbles souterrains supraconducteurs pouvant conduire jusqu'à 5 fois plus de courant, et la pose de tels câbles permettra d'économiser considérablement les zones urbaines, car les câbles seront plus compacts par rapport à ceux utilisés aujourd'hui.

Les calculs montrent que, par exemple, la construction d'une ligne électrique pour 1 GW à une tension de 154 kV, si des câbles supraconducteurs sont utilisés, coûtera 38% moins cher que si elle était mise en œuvre en utilisant la technologie standard. Et cela tient compte de la conception et de l'installation, car le nombre de filetages requis est respectivement moindre, le nombre total de câbles et le diamètre intérieur des conduits sont également inférieurs.

Il est à noter qu'une puissance importante peut être transmise à travers un câble supraconducteur même à basse tension, réduisant pollution électromagnétique, et cela est vrai pour les zones densément peuplées, où la pose de lignes à haute tension inquiète tant les écologistes que le public.

L'introduction de supraconducteurs à haute température dans le domaine des énergies alternatives est également prometteuse, où la rentabilité n'est en aucun cas un facteur secondaire, et l'utilisation de supraconducteurs ici augmentera l'efficacité de nouvelles sources. De plus, au cours des 20 prochaines années, il y a une tendance constante à leur développement rapide dans le monde.